一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层及其制备工艺

1.本发明属于复合材料改性技术领域，提供了一种高速冲击大面积制备非晶/ 纳米晶复合涂层及其制备工艺。


背景技术：

2.非晶合金具有高强度、高硬度、良好的韧性和耐磨耐腐性好等特点，同时还具有良好的高磁导率和良好的磁性以及其他优异的材料性能，所以受到了国内外研究者们的广泛关注，但是，非晶合金的塑性较差，且在制备过程中容易晶化而导致非晶纯度不足。目前，制备大面积非晶非常困难，因此，一般通过在金属基体表面制备非晶/纳米晶复合涂层来扩大非晶合金的应用。
3.高速冲击技术是一种快速、可靠、经济的材料固相连接技术。当两块板以适当的碰撞角度高速碰撞时，金属变形会形成射流。在碰撞点，冲击应力大于金属的屈服应力，射流会沿着界面传播，清除金属表面的氧化层，留下两个原子级清洁的表面，从而实现可靠连接。这种非常大的冲击力能使表面原子直接接触，从而形成强度很大的金属键。碰撞过程往往伴随着严重的塑形变形以及机械合金化，剧烈的塑性变形会导致材料的有序结构破坏，形成无序的非晶，非晶在塑性变形热的作用下可能发生晶化形成细小的纳米级尺度晶粒。非晶以及纳米晶的形成与塑性变形行为直接相关，通过改变撞击工艺能够有效调控材料的塑性变形行为进而改变非晶以及纳米晶的组成。
4.有效利用资源和能源是现代工业生产和产品设计面临的主要挑战之一，因此对复合材料的需求日益增加。然而，由于异种材料的物理性能存在较大差异，在连接的过程中容易形成成分偏析并生成脆性imc，严重影响材料性能，近年来，国内外研究者们利用电弧喷涂、激光熔覆等技术，在金属表面形成具有优异性能的非晶复合涂层方面取得了一些成果和进展。然而，当高能束流功率较低时会导致复合涂层成分不均匀，从而不利于非晶的形成；当功率较高时会导致复合涂层稀释率过大，且容易使晶粒发生长大，降低纳米晶的含量。同时还受到合金体系的影响，在不同合金体系下，形成非晶的规律不同，这为制备非晶/纳米晶复合涂层工艺窗口带来极大不便。由于热输入较大，会导致基体材料发生晶粒长大，形成粗晶，降低材料整体的性能。高速冲击技术是一种固相连接技术，由于冲击力很大，冲击时间短，界面在发生局部熔化的同时没有足够的冷却时间，导致晶粒不能正常长大，从而形成非晶。在许多相关研究中已经证明，位于界面上的薄熔化层，冷却速率超过106k/s(爆炸焊能达到106～10
7 k/s)，且没有足够的时间进行原子迁移和扩散，从而导致长程无序非晶组织的形成。因此，本发明提出一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种高速冲击大面积制备非晶/纳
米晶复合涂层及其制备工艺，利用高速冲击技术能，实现异种材料的可靠连接，同时能有效抑制imc的形成，能有效消除在高能束熔覆或热喷涂过程中形成的裂纹、气孔等缺陷，工艺简单，制备面积大，效率高，适合生产实际应用。
6.本发明的目的之一是提供一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
7.s1、基板和飞板选择：基板的厚度大于等于3mm而小于10mm，飞板的厚度大于0.2mm而小于1mm；所述飞板上还加工有直径小于0.5mm的通孔；
8.s2、对基板表面进行酸洗、打磨去除表面氧化膜，并使用无水乙醇清洗，烘干；
9.s3、以飞板在下，基板在上的方式进行排列，开启电磁脉冲设备使电流通过电磁线圈产生电磁力，通过改变电磁脉冲设备的放电能量和初始间距来改变飞板撞击基板的速度和角度，使飞板高速撞击基板，并且使飞板产生变形，从而飞板和基板连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
10.优选的，s1中，所述基板为钛板、钢板、铜板的一种。
11.优选的，s1中，所述飞板为铝板、镁板的一种。
12.优选的，s2中，所述酸洗的溶液为hf、hno3和h2o混合溶液，其中hf 的质量分数为75％，hno3的质量分数为68％。
13.优选的，s2中，所述hf：hno3：h2o的体积比为1:3:5。
14.优选的，s2中，所述打磨的方式为400目以下的砂纸打磨。
15.优选的，s2中，打磨的粗糙度高于ra6.3。
16.优选的，s3中，所述电磁脉冲设备的放电能量为24
‑
30kj，初始间距为 1.2
‑
1.8mm，脉冲电流频率为23.4khz。
17.本发明的目的之二是提供上述制备工艺制备的非晶/纳米晶复合涂层。
18.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
19.1、本发明通过利用高速冲击技术，实现复合涂层与基材的可靠连接，同时能有效抑制复合涂层与基材异种材料之间连接时界面imc的形成，能有效消除在高能束熔覆或热喷涂过程中形成的裂纹、气孔等缺陷，提高材料表面硬度，获得无孔洞，裂纹，晶粒细小的复合涂层。
20.2、本发明工艺简单，制备面积大，效率高，适合生产实际应用。
21.3、本发明能够通过调整冲击工艺，实现非晶复合涂层中纳米晶的含量，进而改善复合涂层的性能。
附图说明
22.图1为本发明制备的非晶/纳米晶复合涂层的扩散层的明场图像与电子衍射谱图；
23.图2为本发明制备的纳米晶体的高分辨率图像。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是，本发明只要符合本技术中所述的电磁脉冲设备可以达到的参数设置就可以进行非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，其中hf为浓氢氟酸溶液， hno3为浓硝酸溶液，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
26.实施例1
27.一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
28.s1、基板和飞板选择：钛板的厚度为5mm，铝板的厚度为0.5mm，铝板上还加工有直径0.3mm的通孔；
29.s2、对钛板表面采用质量分数为75％的hf、质量分数为68％的hno3和 h2o的体积比为1:3:5的混合溶液进行酸洗，通过400目以下的砂纸打磨，打磨表面的粗糙度高于ra6.3，打磨去除表面氧化膜，并使用体积分数为75％的无水乙醇清洗，室温烘干；
30.s3、以铝板在下，钛板在上的方式在电磁脉冲设备上进行装夹，将铝板作为飞板，钛板作为基板，开启电磁脉冲设备使脉冲电流通过电磁线圈产生电磁力，其中电磁脉冲设备的放电能量为24kj，初始间距为1.2mm，脉冲电流频率为23.4khz，铝板撞击钛板时，电磁力产生的放电能量使铝板撞击钛板时，铝板在高速冲击过程中产生气流差，在间距为1.2mm之间使铝板的反生倾斜，产生角度撞击钛板，使铝板产生变形，使铝板和钛板异种材料连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
31.超细晶粒可以通过液态射流金属的快速冷却或严重塑性变形所引起的动态塑性再结晶形成。在本发明中所形成的细小等轴晶是由于高速碰撞后铝合金在界面上发生了局部熔化。扩散层的明场图像与电子衍射谱图saed图如图1所示，在明场图像中可以看到大量的纳米晶，同时saed图案为宽化的衍射环，这是金属的非晶形态，由于形成的纳米多晶晶粒很小，导致了衍射环的宽化。
32.图2是图1中观察到的纳米晶体的高分辨率图像，从图2可以看到，几个纳米晶体团聚并存在无定形部分，说明存在非晶；al/ti界面在高速碰撞过程中局部温度升高，由于极短的碰撞时间和极快的冷却速度，导致了非晶态的形成。然而，由于钛合金的导热系数较低，部分区域发生了再结晶晶粒长大，系统能量由于应变能的释放处于不稳定状态，导致部分纳米晶的形成。
33.实施例2
34.一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
35.s1、基板和飞板选择：钛板的厚度为3mm，铝板的厚度为0.2mm，铝板上还加工有直径0.1mm的通孔；
36.s2、对钛板表面采用质量分数为75％的hf、质量分数为68％的hno3和 h2o的体积比为1:3:5的混合溶液进行酸洗，通过400目以下的砂纸打磨，打磨表面的粗糙度高于ra6.3，打磨去除表面氧化膜，并使用体积分数为75％的无水乙醇清洗，室温烘干；
37.s3、以铝板在下，钛板在上的方式在电磁脉冲设备上进行装夹，将铝板作为飞板，钛板作为基板，开启电磁脉冲设备使脉冲电流通过电磁线圈产生电磁力，其中电磁脉冲设备的放电能量为30kj，初始间距为1.8mm，脉冲电流频率为23.4khz，铝板撞击钛板时，电磁
力产生的放电能量使铝板撞击钛板时，铝板在高速冲击过程中产生气流差，在间距为1.8mm之间使铝板的反生倾斜，产生角度撞击钛板，使铝板产生变形，使铝板和钛板异种材料连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
38.实验证明，本实施例所获得非晶/纳米晶复合涂层的表征数据与实施例1无实质性差别。
39.实施例3
40.一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
41.s1、基板和飞板选择：基板的厚度为9mm，飞板的厚度为0.8mm，飞板上还加工有直径0.4mm的通孔；
42.s2、对钢板表面采用质量分数为75％的hf、质量分数为68％的hno3和 h2o的体积比为1:3:5的混合溶液进行酸洗，通过400目以下的砂纸打磨，打磨表面的粗糙度高于ra6.3，打磨去除表面氧化膜，并使用体积分数为75％的无水乙醇清洗，室温烘干；
43.s3、以铝板在下，钢板在上的方式在电磁脉冲设备上进行装夹，将铝板作为飞板，钢板作为基板，开启电磁脉冲设备使脉冲电流通过电磁线圈产生电磁力，其中电磁脉冲设备的放电能量为30kj，初始间距为1.8mm，脉冲电流频率为23.4khz，铝板撞击钢板时，电磁力产生的放电能量使铝板撞击钢板时，铝板在高速冲击过程中产生气流差，在间距为1.8mm之间使铝板的反生倾斜，产生角度撞击钢板，使铝板产生大量变形，铝板和钢板异种材料连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
44.实施例4
45.一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
46.s1、基板和飞板选择：钢板的厚度为7mm，镁板的厚度为0.3mm，镁板上还加工有直径0.1mm的通孔；
47.s2、对钛板表面采用质量分数为75％的hf、质量分数为68％的hno3和 h2o的体积比为1:3:5的混合溶液进行酸洗，通过400目以下的砂纸打磨，打磨表面的粗糙度高于ra6.3，打磨去除表面氧化膜，并使用体积分数为75％的无水乙醇清洗，室温烘干；
48.s3、以镁板在下，钢板在上的方式在电磁脉冲设备上进行装夹，将镁板作为飞板，钢板作为基板，开启电磁脉冲设备使脉冲电流通过电磁线圈产生电磁力，其中电磁脉冲设备的放电能量为30kj，初始间距为1.8mm，脉冲电流频率为23.4khz，电磁力产生的放电能量使镁板撞击钢板时，镁板在高速冲击过程中产生气流差，在间距为1.8mm之间使镁板的反生倾斜，产生角度撞击钢板，改变镁板撞击钢板的速度和角度；镁板高速撞击钢板后，使镁板产生大量变形，镁板和钢板异种材料连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
49.实验证明，本实施例所获得非晶/纳米晶复合涂层的表征数据与实施例1无实质性差别。
50.实施例5
51.一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层制备工艺，包括如下步骤：
52.s1、基板和飞板选择：铜板的厚度为5mm，铝板的厚度为0.5mm，铝板上还加工有直径0.3mm的通孔；
53.s2、对铜板表面采用质量分数为75％的hf、质量分数为68％的hno3和 h2o的体积比为1:3:5的混合溶液进行酸洗，通过400目以下的砂纸打磨，打磨表面的粗糙度高于ra6.3，
打磨去除表面氧化膜，并使用体积分数为75％的无水乙醇清洗，室温烘干；
54.s3、以铝板在下，铜板在上的方式在电磁脉冲设备上进行装夹，将铝板作为飞板，铜板作为基板，开启电磁脉冲设备使脉冲电流通过电磁线圈产生电磁力，其中电磁脉冲设备的放电能量为24kj，初始间距为1.2mm，脉冲电流频率为23.4khz，铝板高速撞击铜板时，电磁力产生的放电能量使铝板撞击铜板时，铝板在高速冲击过程中产生气流差，在间距为1.2mm之间使铝板的反生倾斜，产生角度撞击铜板，使铝板产生大量变形，实现异种材料连接形成非晶/纳米晶复合涂层。
55.实验证明，本实施例所获得非晶/纳米晶复合涂层的表征数据与实施例2无实质性差别。
56.需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
57.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。