權(quán)利要求

1.超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： S1、提供金屬基體； S2、設(shè)計仿生微結(jié)構(gòu)輪廓特征，通過加工技術(shù)在金屬基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)； S3、在金屬基體上進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)不同深度的激光定向能量沉積實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化獲得仿生微結(jié)構(gòu)最優(yōu)深度； S4、根據(jù)提供的金屬基體材質(zhì)，選擇優(yōu)于金屬基體表面性能的激光沉積粉材，優(yōu)化沉積粉材的激光定向能量沉積工藝參數(shù)； S5、根據(jù)激光定向能量沉積工藝參數(shù)，利用激光定向能量沉積技術(shù)在仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積激光沉積粉材，獲得激光定向能量沉積涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，仿生微結(jié)構(gòu)包括：仿蒼耳的楔形結(jié)構(gòu)、仿向日葵的凹圓弧結(jié)構(gòu)、仿蜜蜂窩的蜂窩狀結(jié)構(gòu)或仿倒金字塔結(jié)構(gòu)仿生微結(jié)構(gòu)。 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，仿生微結(jié)構(gòu)由以下至少加工技術(shù)加工：激光加工、3D打印或電火花加工技術(shù)； 在金屬基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)后，對仿生微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，清除殘余廢屑。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中，仿生微結(jié)構(gòu)深度在微米數(shù)量級，且其邊緣與金屬基體平面夾角不考慮； 仿生微結(jié)構(gòu)相鄰單元之間距離大于微單元結(jié)構(gòu)間的最大距離； 仿生微結(jié)構(gòu)深度的選擇依據(jù)為激光定向能量沉積涂層與基體形成良好冶金結(jié)合，無氣孔和裂紋，內(nèi)部組織分布均勻。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S4中，激光沉積粉材包括：鐵基合金、鎳基合金或者異質(zhì)元素增強(qiáng)鎳基復(fù)合粉材； 所述激光沉積粉材在使用前置于干燥箱中進(jìn)行恒溫干燥，沉積復(fù)合粉材的母體粉材為鎳基合金或鐵基合金，沉積復(fù)合粉材中所含增強(qiáng)異質(zhì)元素最佳重量比通過實(shí)驗(yàn)確定。 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述復(fù)合粉材包括如下材料中的至少：陶瓷/鎳基復(fù)合材料、陶瓷/鐵基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/鐵基復(fù)合材料、稀土元素/鎳基復(fù)合材料或稀土元素/鐵基復(fù)合材料。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S5中，所述激光定向能量沉積技術(shù)中，在仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積所選擇的激光定向能量沉積系統(tǒng)的激光發(fā)射器為連續(xù)激光器，激光定向能量沉積系統(tǒng)中送粉系統(tǒng)為同軸送粉系統(tǒng)；進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積前對基體進(jìn)行預(yù)熱處理。 8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟S5中，涂層直接沉積在金屬基體的仿生微結(jié)構(gòu)上。 9.超結(jié)合強(qiáng)度的涂層，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法得到，為制備得到的激光定向能量沉積涂層，由三個區(qū)域組成： 在其基體上，第一區(qū)域?yàn)榛w上的熱影響區(qū)，其中第一區(qū)域材料為基體材料； 在其基體上，第二區(qū)域?yàn)榛w上的仿生微結(jié)構(gòu)與激光定向能量沉積涂層，其中第二區(qū)域材料為基體材料與沉積復(fù)合材料； 在其基體上，第三區(qū)域?yàn)榻饘倩w上制備的激光定向能量沉積涂層，其中第三區(qū)域材料為沉積復(fù)合材料。 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層，其特征在于，所述第二區(qū)域?yàn)樘岣咄繉优c基體結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)化層，所述結(jié)構(gòu)化層內(nèi)包含軟基體金屬區(qū)域和硬涂層區(qū)域，實(shí)現(xiàn)軟基體與硬涂層過渡，降低結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)缺陷的敏感性； 所述第三區(qū)域?yàn)榧す獬练e復(fù)合涂層，為提高基體表面機(jī)械性能的關(guān)鍵層，其中所述激光沉積復(fù)合涂層包括如下復(fù)合材料中的至少：陶瓷/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/鐵基復(fù)合材料、稀土元素/鎳基復(fù)合材料或稀土元素/鐵基復(fù)合材料。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及超結(jié)合強(qiáng)度的涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)、全斷面掘進(jìn)機(jī)、大型燃?xì)廨啓C(jī)等高端裝備的葉片、齒輪、軸等關(guān)鍵零件在苛刻工況環(huán)境下造成的磨損、疲勞破壞、腐蝕等已經(jīng)成為引起零件失效亟需解決的難題，同時也造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。零件表面性能強(qiáng)化是提高其使用壽命的重要途徑之一。激光定向能量沉積是獲得高性能涂層的先進(jìn)技術(shù)之一。獲得兼具高硬度、高強(qiáng)度、良好韌性、良好冶金結(jié)合界面質(zhì)量對于實(shí)現(xiàn)零件表面強(qiáng)化至關(guān)重要。強(qiáng)度的提高意味著犧牲韌性，且高硬度涂層因與基體性能差異容易出現(xiàn)徑向裂紋、分層，降低涂層服役過程中的穩(wěn)定性，限制了激光定向能量沉積涂層在零件表面強(qiáng)化上的應(yīng)用。通過設(shè)計優(yōu)化涂層材料成分、進(jìn)行梯度涂層設(shè)計、熱處理等方法可以緩解這些缺陷，然而又會引來新的問題，如：彈塑性、強(qiáng)化成本提高、增加制造工藝過程的復(fù)雜性等?；谏锓律鷮W(xué)，本發(fā)明利用激光加工、3D打印和電火花等加工方法在基體表面進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)加工，以提高涂層與基體之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度。在微結(jié)構(gòu)上制備激光定向能量沉積涂層，增加了涂層與基體冶金結(jié)合面積，同時軟硬度基體與高硬度涂層的規(guī)律交替出現(xiàn)，提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度，降低了裂紋敏感性，同時軟基體與硬涂層的結(jié)合界面上形成一定程度的互鎖結(jié)構(gòu)。因此，該方法可以在高端裝備關(guān)鍵零件表面獲得冶金結(jié)合質(zhì)量好、硬度高且兼具良好韌性的涂層，提高高端裝備關(guān)鍵零件的工作穩(wěn)定性及使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的現(xiàn)有技術(shù)可提高強(qiáng)度但犧牲了韌性，且高硬度涂層因與基體性能差異容易出現(xiàn)徑向裂紋、分層，降低涂層服役過程中的穩(wěn)定性，限制了激光定向能量沉積涂層在零件表面強(qiáng)化上的應(yīng)用；雖通過設(shè)計優(yōu)化涂層材料成分、進(jìn)行梯度涂層設(shè)計、熱處理等方法可以緩解這些缺陷，然而又會引來新的問題，如：彈塑性、強(qiáng)化成本提高、增加制造工藝過程的復(fù)雜性等的技術(shù)問題，而提供一種超結(jié)合強(qiáng)度的涂層及其制備方法。本發(fā)明主要基于生物仿生學(xué)，利用激光加工、3D打印和電火花等加工方法在基體表面進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)加工，以提高涂層與基體之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度。在微結(jié)構(gòu)上制備激光定向能量沉積涂層，增加了涂層與基體冶金結(jié)合面積，同時軟硬度基體與高硬度涂層的規(guī)律交替出現(xiàn)，提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度，降低了裂紋敏感性，同時軟基體與硬涂層的結(jié)合界面上形成一定程度的互鎖結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明方法可以在高端裝備關(guān)鍵零件表面獲得冶金結(jié)合質(zhì)量好、硬度高且兼具良好韌性的涂層，提高高端裝備關(guān)鍵零件的工作穩(wěn)定性及使用壽命。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，包括如下步驟：

S1、提供金屬基體；

S2、設(shè)計仿生微結(jié)構(gòu)輪廓特征，通過加工技術(shù)在金屬基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)；

S4、在金屬基體上進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)不同深度的激光定向能量沉積實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化獲得仿生微結(jié)構(gòu)最優(yōu)深度；

S5、根據(jù)提供的金屬基體材質(zhì)，選擇優(yōu)于金屬基體表面性能的激光沉積粉材，優(yōu)化沉積粉材的激光定向能量沉積工藝參數(shù)；

S5、根據(jù)激光定向能量沉積工藝參數(shù)，利用激光定向能量沉積技術(shù)在仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積激光沉積粉材，獲得激光定向能量沉積涂層。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，仿生微結(jié)構(gòu)包括：仿蒼耳的楔形結(jié)構(gòu)、仿向日葵的凹圓弧結(jié)構(gòu)、仿蜜蜂窩的蜂窩狀結(jié)構(gòu)或仿倒金字塔結(jié)構(gòu)等仿生微結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，仿生微結(jié)構(gòu)由以下至少一種加工技術(shù)加工：激光加工、3D打印或電火花加工技術(shù)等制造方法；

在金屬基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)后，對仿生微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，清除殘余廢屑。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中，仿生微結(jié)構(gòu)深度在微米數(shù)量級，且其邊緣與金屬基體平面夾角不考慮；

仿生微結(jié)構(gòu)相鄰單元之間距離大于微單元結(jié)構(gòu)間的最大距離；

仿生微結(jié)構(gòu)深度的選擇依據(jù)為激光定向能量沉積涂層與基體形成良好冶金結(jié)合，無氣孔和裂紋，內(nèi)部組織分布均勻。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中，激光沉積粉材包括：鐵基合金、鎳基合金或者異質(zhì)元素增強(qiáng)鎳基復(fù)合粉材；

所述激光沉積粉材在使用前置于干燥箱中進(jìn)行恒溫干燥，沉積復(fù)合粉材的母體粉材為鎳基合金或鐵基合金，沉積復(fù)合粉材中所含增強(qiáng)異質(zhì)元素最佳重量比通過實(shí)驗(yàn)確定。

進(jìn)一步地，所述復(fù)合粉材包括如下材料中的至少一種：陶瓷/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料或稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，所述步驟S5中，所述激光定向能量沉積技術(shù)中，在仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積所選擇的激光定向能量沉積系統(tǒng)的激光發(fā)射器為連續(xù)激光器，激光定向能量沉積系統(tǒng)中送粉系統(tǒng)為同軸送粉系統(tǒng)；進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表面沉積前對基體進(jìn)行預(yù)熱處理。

進(jìn)一步地，所述步驟S5中，涂層直接沉積在金屬基體的仿生微結(jié)構(gòu)上。

本發(fā)明還提供了一種超結(jié)合強(qiáng)度的涂層，根據(jù)上述所述的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法得到，為制備得到的激光定向能量沉積涂層，由三個區(qū)域組成：

在其基體上，第一區(qū)域?yàn)榛w上的熱影響區(qū)，其中第一區(qū)域材料為基體材料；

在其基體上，第二區(qū)域?yàn)榛w上的仿生微結(jié)構(gòu)與激光定向能量沉積涂層，其中第二區(qū)域材料為基體材料與沉積復(fù)合材料；

在其基體上，第三區(qū)域?yàn)榻饘倩w上制備的激光定向能量沉積涂層，其中第三區(qū)域材料為沉積復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，所述第二區(qū)域?yàn)樘岣咄繉优c基體結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)化層，所述結(jié)構(gòu)化層內(nèi)包含軟基體金屬區(qū)域和硬涂層區(qū)域，實(shí)現(xiàn)軟基體與硬涂層過渡，降低結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)缺陷的敏感性；

所述第三區(qū)域?yàn)榧す獬练e復(fù)合涂層，為提高基體表面機(jī)械性能的關(guān)鍵層，其中所述激光沉積復(fù)合涂層包括如下復(fù)合材料中的至少一種：陶瓷/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料或稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料。

較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明提供的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層及其制備方法，基于生物仿生學(xué)，利用激光加工、3D打印和電火花等加工方法在基體表面進(jìn)行仿生微結(jié)構(gòu)加工，以提高涂層與基體之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度。在微結(jié)構(gòu)上制備激光定向能量沉積涂層，增加了涂層與基體冶金結(jié)合面積，同時軟硬度基體與高硬度涂層的規(guī)律交替出現(xiàn)，提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度，降低了裂紋敏感性，同時軟基體與硬涂層的結(jié)合界面上形成一定程度的互鎖結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明方法可以在高端裝備關(guān)鍵零件表面獲得冶金結(jié)合質(zhì)量好、硬度高且兼具良好韌性的涂層，提高高端裝備關(guān)鍵零件的工作穩(wěn)定性及使用壽命。

2、本發(fā)明提供的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層及其制備方法，通過提供具有待激光定向能量沉積表面的基體，所述基體待沉積表面上加工有仿生微結(jié)構(gòu)，所述仿生微結(jié)構(gòu)可以通過激光加工、3D打印和電火花加工等制造方法獲得，所述加工的仿生微結(jié)構(gòu)可以為楔形結(jié)構(gòu)、凹圓弧結(jié)構(gòu)、鋸齒狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等，從而利用激光定向能量沉積技術(shù)在所述加工的仿生微結(jié)構(gòu)表面制備激光定向能量沉積涂層，所述沉積材料可為鐵基合金、鎳基合金、鎳基復(fù)合粉末等。本發(fā)明首先在基體表面加工仿生微結(jié)構(gòu)，再利用激光定向能量沉積技術(shù)在仿生微結(jié)構(gòu)表面制備涂層，可以低成本制備具有高冶金結(jié)合強(qiáng)度、高硬度且韌性好的高性能涂層。

綜上，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案能夠解決現(xiàn)有技術(shù)可提高強(qiáng)度但犧牲了韌性，且高硬度涂層因與基體性能差異容易出現(xiàn)徑向裂紋、分層，降低涂層服役過程中的穩(wěn)定性，限制了激光定向能量沉積涂層在零件表面強(qiáng)化上的應(yīng)用；雖通過設(shè)計優(yōu)化涂層材料成分、進(jìn)行梯度涂層設(shè)計、熱處理等方法可以緩解這些缺陷，然而又會引來新的問題，如：彈塑性、強(qiáng)化成本提高、增加制造工藝過程的復(fù)雜性等的問題。

基于上述理由本發(fā)明可在零件表面強(qiáng)化等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明具有蒼耳結(jié)構(gòu)的微楔形結(jié)構(gòu)基體金屬三維示意圖。

圖2為本發(fā)明具有向日葵結(jié)構(gòu)的微圓凹坑結(jié)構(gòu)基體金屬三維示意圖。

圖3為本發(fā)明具有蜂窩結(jié)構(gòu)的微六邊形結(jié)構(gòu)的基體金屬三維示意圖。

圖4為本發(fā)明在楔形微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖。

圖5為本發(fā)明在圓凹坑微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖。

圖6為本發(fā)明在正六邊形微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。以下對至少一個示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

除非另外具體說明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。同時，應(yīng)當(dāng)清楚，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實(shí)際的比例關(guān)系繪制的。對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員己知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任向具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它示例可以具有不同的值。應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步討論。

如圖所示，本發(fā)明提供了一種超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法，為一種提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的制造方法，所述方法包括如下步驟：

—提供金屬基體；

—設(shè)計仿生微結(jié)構(gòu)輪廓特征，所述仿生微結(jié)構(gòu)包括：仿蒼耳的楔形結(jié)構(gòu)、仿向日葵的凹圓弧結(jié)構(gòu)、仿蜜蜂窩的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，或仿倒金字塔結(jié)構(gòu)等仿生微結(jié)構(gòu)；

—根據(jù)提供所述金屬基體材質(zhì)，選擇優(yōu)于基體表面性能的激光沉積粉材，所述激光沉積粉材包括：鐵基合金、鎳基合金或者異質(zhì)元素增強(qiáng)鎳基復(fù)合粉材，優(yōu)化所述沉積粉材激光沉積工藝參數(shù)；

—利用所述激光定向能量沉積工藝參數(shù)在所述基體上進(jìn)行所設(shè)計仿生微結(jié)構(gòu)不同深度的激光定向能量沉積實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化獲取所述微結(jié)構(gòu)深度；

—在所述基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)可以由以下至少一種技術(shù)加工：激光加工、3D打印和電火花加工等制造方法，利用激光定向能量沉積技術(shù)在所述微結(jié)構(gòu)表面制備涂層。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述設(shè)計的微結(jié)構(gòu)深度在微米數(shù)量級且其邊緣與基體平面夾角不考慮。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述復(fù)合粉材包括如下材料中的至少一種：陶瓷/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中在所述金屬基體表面制備仿生微結(jié)構(gòu)后，對所述微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，清除殘余廢屑。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述微結(jié)構(gòu)深度的選擇依據(jù)為激光定向能量沉積涂層與基體形成良好冶金結(jié)合，無氣孔和裂紋，內(nèi)部組織分布均勻。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述微結(jié)構(gòu)相鄰單元之間距離大于微單元結(jié)構(gòu)間的最大距離。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述沉積粉材在使用前需在干燥箱中恒溫干燥，所述沉積復(fù)合粉材的母體粉材為鎳基合金或鐵基合金，所述沉積復(fù)合粉材中所含增強(qiáng)異質(zhì)元素最佳重量比通過實(shí)驗(yàn)確定。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述激光定向能量沉積在所述微結(jié)構(gòu)表面沉積所選擇激光沉積系統(tǒng)的激光發(fā)射器為連續(xù)激光器，所述激光定向能量沉積系統(tǒng)中送粉系統(tǒng)為同軸送粉系統(tǒng)；進(jìn)行所述仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積前需要對基體進(jìn)行預(yù)熱處理。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述涂層直接沉積在所述金屬基體的仿生微結(jié)構(gòu)上。

本發(fā)明還提供了一種通過超結(jié)合強(qiáng)度的涂層的制備方法制備得到的超結(jié)合強(qiáng)度的涂層，即制備得到的激光定向能量沉積涂層，其中在所述基體上制備的涂層包含有三個區(qū)域組成：

—在其所述基體上第一區(qū)域?yàn)榛w上的熱影響區(qū)，其中所述第一區(qū)域材料為基體材料；

—在其所述基體上第二區(qū)域?yàn)榛w上的仿生微結(jié)構(gòu)與所述激光定向能量沉積涂層，其中所述第二區(qū)域材料為基體材料與所述沉積復(fù)合材料；

—在其所述基體上第三區(qū)域?yàn)榛w金屬上制備的所述激光定向能量沉積涂層，其中所述第三區(qū)域材料為所述沉積復(fù)合材料。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述第二區(qū)域是提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)化層，所述第二層內(nèi)包含軟基體金屬區(qū)域和硬涂層區(qū)域，實(shí)現(xiàn)軟基體與硬涂層過渡，降低了結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)缺陷的敏感性；

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，其中所述第三區(qū)域是激光沉積復(fù)合涂層，是提高基體表面機(jī)械性能的關(guān)鍵層，其中所述激光沉積復(fù)合涂層包括如下復(fù)合材料中的至少一種：陶瓷/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料。

如圖1-3所示，分別為采用本發(fā)明方法制備得到的具有蒼耳結(jié)構(gòu)的微楔形結(jié)構(gòu)基體金屬三維示意圖、具有向日葵結(jié)構(gòu)的微圓凹坑結(jié)構(gòu)基體金屬三維示意圖以及具有蜂窩結(jié)構(gòu)的微六邊形結(jié)構(gòu)的基體金屬三維示意圖。如圖4-6所示，分別為采用本發(fā)明方法在楔形微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖、在圓凹坑微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖以及在正六邊形微結(jié)構(gòu)表面制備激光沉積涂層示意圖。

實(shí)施例1

一種提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的制造方法，在軸表面制備一種與基體冶金結(jié)合質(zhì)量良好且兼具優(yōu)異機(jī)械性能的涂層，具體包括如下步驟：

a、提供圓柱形基體(45#鋼)；

b、將軸裝夾在工作臺上，采用激光加工制造方法，利用脈沖激光在軸表面加工仿生微結(jié)構(gòu)；

具體而言：所述軸表面仿生微結(jié)構(gòu)需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得，步進(jìn)電機(jī)控制軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中脈沖激光最佳工作距離調(diào)整軸待加工表面與激光光斑聚焦點(diǎn)之間相對位置，根據(jù)設(shè)計的仿生微結(jié)構(gòu)分別控制步進(jìn)電機(jī)以及激光器的運(yùn)動；

具體而言：所述軸加工過程中僅控制其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所述控制軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工作臺安裝在脈沖激光加工平臺上，所述軸加工過程中通過控制脈沖激光加工平臺z軸升降實(shí)現(xiàn)軸表面徑向加工，通過控制脈沖激光加工平臺沿著軸軸向運(yùn)動并配合著軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)軸表面仿生微結(jié)構(gòu)加工；

具體而言：所述仿生微結(jié)構(gòu)至少包括以下中的一種：仿蒼耳的楔形結(jié)構(gòu)、仿向日葵的凹圓弧結(jié)構(gòu)、仿蜜蜂窩的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，或仿倒金字塔結(jié)構(gòu)等仿生微結(jié)構(gòu)；在所述基板上設(shè)計不同仿生微結(jié)構(gòu)深度的激光定向能量沉積實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化確定微結(jié)構(gòu)最優(yōu)深度；

具體而言：其中所述設(shè)計的仿生微結(jié)構(gòu)深度在微米數(shù)量級且其邊緣與基體平面夾角不考慮，所述微結(jié)構(gòu)為中心對稱圖形；

具體而言：其中所述仿生微結(jié)構(gòu)深度根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，所述仿生微結(jié)構(gòu)相鄰單元之間距離大于微單元結(jié)構(gòu)的最大距離；

具體而言：其中所述仿生微結(jié)構(gòu)深度的選擇依據(jù)為沉積涂層與基體形成良好冶金結(jié)合，無氣孔和裂紋，內(nèi)部組織分布均勻；

c、其中在所述軸表面制備仿生微結(jié)構(gòu)后，對所述仿生微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，清除仿生微結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余廢屑以及加工表面的變質(zhì)層；

d、根據(jù)提供所述軸材質(zhì)，選擇優(yōu)于軸表面性能的激光沉積粉末，所述激光沉積粉末包括：鐵基合金、鎳基合金或者異質(zhì)元素增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料，優(yōu)化所述沉積粉末激光定向能量沉積工藝參數(shù)；

具體而言：其中所述復(fù)合粉末包括如下材料中的至少一種：陶瓷/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料；

具體而言：其中所述激光沉積粉末在使用前需在干燥箱中恒溫干燥以去除涂層中的水分，激光沉積復(fù)合粉末的母體粉末為鎳基合金，所述激光沉積復(fù)合粉末中所含增強(qiáng)異質(zhì)元素重量比根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定；

e、軸(表面已加工出仿生微結(jié)構(gòu))由步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并裝夾在激光沉積系統(tǒng)的工作平臺上，并完成激光沉積實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作；

f、利用激光定向能量沉積技術(shù)在所述微結(jié)構(gòu)表面沉積所述激光沉積復(fù)合粉末；

具體而言：其中所述激光定向能量沉積技術(shù)在所述仿生微結(jié)構(gòu)表面沉積所選擇激光沉積系統(tǒng)的激光發(fā)射器為連續(xù)激光器，所述激光定向能量沉積系統(tǒng)中送粉系統(tǒng)為同軸送粉系統(tǒng)，激光頭由六自由度庫卡機(jī)器人控制其實(shí)現(xiàn)加工運(yùn)動，所述微結(jié)構(gòu)表面沉積前需要對基體進(jìn)行預(yù)熱處理；

具體而言：實(shí)驗(yàn)過程中，軸表面距離沉積頭噴嘴間距為激光加工最佳間距；

具體而言：實(shí)驗(yàn)過程中，軸由步進(jìn)電機(jī)控制為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，激光頭由庫卡機(jī)器人控制為直線運(yùn)動，實(shí)際沉積軌跡為在軸表面的螺旋運(yùn)動，螺旋間距為最佳搭接間距；

具體而言：其中所述激光沉積涂層直接沉積在所述軸的微結(jié)構(gòu)上；

具體而言：其中在所述軸表面進(jìn)行具有楔形微結(jié)構(gòu)表面沉積時，激光頭旋轉(zhuǎn)一個微結(jié)構(gòu)傾斜角度，保證涂層與微結(jié)構(gòu)表面更好的冶金結(jié)合。

采用本發(fā)明方法制備的所述激光定向能量沉積涂層包含有三個區(qū)域組成：

—在其所述軸上第一區(qū)域?yàn)檩S基體上的熱影響區(qū)，其中所述第一區(qū)域材料為軸材料，

—在其所述軸上第二區(qū)域?yàn)檩S上的仿生微結(jié)構(gòu)與所述激光沉積涂層，其中所述第二區(qū)域材料為軸棒料與所述激光沉積復(fù)合材料，

—在其所述基體上第三區(qū)域?yàn)檩S上制備的所述激光沉積涂層，其中所述第三區(qū)域材料為所述激光沉積復(fù)合材料。

其中所述第二區(qū)域是提高涂層與軸結(jié)合強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)化層，所述第二層內(nèi)包含軸表面材料和涂層材料，實(shí)現(xiàn)軸(軟基體)與硬涂層的過渡，降低了結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)缺陷的敏感性；

所述的激光定向能量沉積涂層，其中所述第三區(qū)域是激光沉積復(fù)合涂層，是提高軸表面機(jī)械性能的關(guān)鍵層，其中所述激光沉積復(fù)合涂層包括如下材料中的至少一種制備得到：陶瓷/鎳基復(fù)合材料、硬質(zhì)顆粒/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料、稀土元素/(鎳基、鐵基)復(fù)合材料。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。

超結(jié)合強(qiáng)度的涂層及其制備方法.pdf