專利名稱：獲取高附著力納米涂層的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面處理方法及裝置，尤其是一種利用深泠處理和激光誘導(dǎo)沖擊制備納米涂層的方法及裝置，具體地說是一種通過超低溫恒高壓阻礙擠壓獲取高附著力納米涂層的方法。
背景技術(shù)：
目前，納米涂層材料由于良好的力學(xué)性能、導(dǎo)電特性以及其它一些特定功能，在刀具、微電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對于納米涂層而言，其最理想的狀態(tài)就是在得到納米涂層以后，涂層內(nèi)部呈現(xiàn)無殘余應(yīng)力或者較低的殘余壓應(yīng)力，并能夠達(dá)到較強(qiáng)的附著力。然而當(dāng)前涂層的獲取方法主要有(I)沉積工藝；(2)熱噴涂；(3)激光熔覆納米涂層。 對于沉積工藝而言，當(dāng)前沉積涂層技術(shù)有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法等，如果能夠適當(dāng)降低沉積溫度，控制一個沉積的最佳溫度，可以提高涂層的附著力。但是，當(dāng)前的沉積溫度都比較高，沉積之后，涂層內(nèi)的殘余熱應(yīng)力非常大，并且無法從根本上解決涂層與基體附著力的問題。如公開號為CN1275637A的專利提出了一種硬質(zhì)合金工具的金剛石-鈷硼化合物耐磨復(fù)合涂層及其制備方法，該專利通過化學(xué)氣相沉積方法在硬質(zhì)合金表面制備金剛石耐磨涂層，雖然這種方法一定程度上可以提高涂層與基體的附著力，但是也存在著不足(I)沉積溫度為50(Tl00(rC，高溫沉積以后涂層內(nèi)的殘余熱應(yīng)力非常大，嚴(yán)重限制了涂層與基體附著力的進(jìn)一步提高；(2)沒有從根本上解決涂層與基體的結(jié)合問題，因此附著力仍然不高；(3)沉積工藝復(fù)雜。又如專利號為CN102230154A的專利，提出了一種物理氣相沉積涂層的方法，該方法是先對反應(yīng)室進(jìn)行氮化處理，然后進(jìn)行等離子體轟擊得到涂層。該方法可以制備一定附著力的涂層，但也存在一些不足(1)物理氣相沉積需要在45(T480°C下進(jìn)行，涂層內(nèi)部會產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，使得涂層與基體的附著力較低；
(2)沉積工藝復(fù)雜。因此，對于化學(xué)氣相沉積法與物理氣相沉積法而言，它們共同的缺點(diǎn)都是(I)都要在高溫下進(jìn)行沉積，沉積之后，涂層內(nèi)的殘余熱應(yīng)力非常大(IGpa左右)，限制了涂層與基體附著力的提高；(2)沒有從根本上解決涂層與基體的結(jié)合問題，涂層與基體的附著力很低，通常在20MPa 40MPa之間；(3)沉積工藝十分復(fù)雜。熱噴涂是通過外力將細(xì)微而分散的金屬或非金屬的涂層材料以熔化或半熔化狀態(tài)，沉積到經(jīng)過制備的基體表面，形成涂層。常見的熱噴涂方法有高速火焰熱噴涂、等離子熱噴涂以及電弧熱噴涂。高速火焰噴涂是利用燃料燃燒后的高速火焰將熔化或者半熔化狀態(tài)的粉末沖擊到基體表面，冷卻后形成涂層。例如專利號為CN101736279A的專利，提出了一種超音速火焰噴涂自潤滑耐磨涂層工藝，該工藝采用超音速火焰噴涂制備了具有一定附著力的涂層，但是也存在一些不足(I)該方法要求火焰溫度高達(dá)290(T3100°C，因此涂層內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力很大且不均勻，降低了涂層與基體的的附著力；(2)熔化狀態(tài)的納米粉末在基體表面冷卻沉積，附著力不高；(3)噴涂工藝復(fù)雜，火焰溫度較高且不易控制。電弧熱噴涂是通過電弧產(chǎn)生金屬離子，再通過外力將離子噴涂到基體表面，沉積后形成涂層。如專利號為92105630的專利提供了一種采用電弧熱噴涂工藝在金屬表面制備氮化鈦涂層的方法，通過電弧產(chǎn)生金屬離子，再通過電弧噴涂槍將離子噴涂到基體表面沉積形成涂層。這種方法雖然可以制備一定附著力的涂層，但還存在以下缺點(diǎn)(1)需要較高的處理溫度，導(dǎo)致涂層內(nèi)的殘余熱應(yīng)力較大，降低涂層與基體的附著力；(2)涂層與基體的附著力較小，無法應(yīng)用于較惡劣的使用環(huán)境；(3)電弧產(chǎn)生的離子密度不易控制，且工藝比較復(fù)雜。激光熔覆納米涂層，是利用激光產(chǎn)生的高溫，將納米粉末以及基體表面熔融，從而形成涂層。例如專利號為CN1807685A的專利，提出了一種金屬表面的納米涂層工藝，該工藝是利用激光熔覆技術(shù)將基體與納米粉末在惰性保護(hù)氣體中熔融，冷卻以后得到一定附著力的涂層。這種方法可以獲得一定附著力的涂層，但是也存在著一些缺點(diǎn)(1)基體表面溫度較高，殘余熱應(yīng)力較大，降低涂層與基體的附著力；(2)熔覆過程中，易產(chǎn)生氣泡和裂紋，降低涂層的使用性能。與本發(fā)明最接近的是專利號為CN102199769A和專利號為CN102208321A的專利。 專利號為CN102199769A的專利，提出了一種激光誘導(dǎo)連續(xù)爆轟沖擊波作用獲得納米涂層方法及裝置，該方法利用激光誘導(dǎo)的等離子體連續(xù)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波在金屬表面獲得納米涂層。這種方法可以消除涂層內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力并產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，從而制備具有一定附著力的納米涂層，但是無法使涂層原子與基體原子發(fā)生咬合效應(yīng)和滲透效應(yīng)，從而不能從根本上增加納米涂層與基體的附著力。專利號為CN102208321A的專利，提出了一種激光誘導(dǎo)等離子注入基材的方法及裝置，這種方法是利用激光誘導(dǎo)在基體表面產(chǎn)生一定密度的等離子體，然后結(jié)合沖擊力以及電場力將金屬離子注入到基體表面。這種方法可以制備一定附著力的等離子涂層，但是也有一些缺點(diǎn)(1)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體密度較小，因此基體表面的等離子體密度有限，降低涂層的使用性能；(2)等離子體主要沉積在表面，不會發(fā)生咬合效應(yīng)和滲透效應(yīng)，附著力不高。因此，為了增加涂層與基體的附著力，一方面要考慮到涂層內(nèi)部殘余拉應(yīng)力對涂層的力學(xué)性能以及結(jié)合性能的影響；另一方面還要在原子層面上看到涂層與基體結(jié)合的實(shí)質(zhì)，從根本上提聞涂層與基體的附著力。因此，如何挖掘和開發(fā)出新型的提聞涂層與基體附著力與涂層力學(xué)性能的涂層制備技術(shù)已成為涂層行業(yè)中的一個急需解決的難題，有著很大的發(fā)展空間，也是國內(nèi)外涂層領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點(diǎn)。本發(fā)明首次提出一種全新的納米涂層制備技術(shù)一超低溫恒高壓阻礙擠壓技術(shù)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，在利用涂層與基體發(fā)生咬合效應(yīng)與滲透效應(yīng)從根本上大幅提高涂層與基體附著力的同時，還可以消除涂層內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力并呈現(xiàn)適度的殘余壓應(yīng)力，進(jìn)而提聞納米涂層的總體性能。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行搜索，目前還沒有出現(xiàn)通過超低溫恒壓阻礙擠壓技術(shù)阻礙基體往外擠壓涂層運(yùn)動來增強(qiáng)涂層原子與基體原子附著力，從而顯著提高涂層與基體結(jié)合性能的納米涂層制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有納米涂層制備技術(shù)不能提高涂層與基體附著力、無法完全消除涂層內(nèi)殘余拉應(yīng)力的問題，發(fā)明一種不但能夠消除涂層內(nèi)部大部分殘余拉應(yīng)力，使涂層具有較好的力學(xué)性能；而且可以顯著提高涂層與基體附著力的通過超低溫恒高壓阻礙擠壓獲取高附著力納米涂層的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種獲取高附著力納米涂層的方法，通過涂層與基體發(fā)生咬合效應(yīng)及滲透效應(yīng)，結(jié)合超低溫恒高壓阻礙擠壓從根本上提高了涂層與基體的附著力，其特征是它包括以下步驟
A)將涂有一層納米粉末以及黑漆保護(hù)層的基體放在工作腔中的加熱平臺上，并在基體下表面設(shè)置一個壓電膜傳感器，在黑漆上方設(shè)置約束層；
B)開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制加熱平臺使工作腔溫度保持在8(Tl50°C；
C)調(diào)節(jié)機(jī)械手，將激光擴(kuò)束裝置放置在偏離激光光路的位置，開啟并設(shè)置激光器能量為6 10J，啟動可調(diào)工作臺進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊產(chǎn)生涂層；
D)激光誘導(dǎo)沖擊完畢后，調(diào)節(jié)機(jī)械手將激光擴(kuò)束裝置放置在激光光路中，并調(diào)節(jié)可調(diào)工作臺位置使擴(kuò)束以后的激光光束覆蓋整個納米涂層表面；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光能量 為5 15J，按步驟E)、F)、G)的要求進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層；
E)打開液氮開關(guān)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液氮流量至3(T50cm3/S，使工作腔溫度以2 10°C /min的平均速度下降到-13(T_169°C，并保溫I 24h ；
F)保溫完畢后，關(guān)閉液氮開關(guān)，打開工作腔的密封口，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測工作腔溫度，并控制加熱平臺進(jìn)行升溫，使工作腔溫度按照2 10°C /min的平均速度升溫至室溫(25。。)；
G)當(dāng)工作腔溫度達(dá)到室溫(25°C)時，斷開激光器開關(guān)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并取下工件。所述的約束層為普通玻璃或K9玻璃。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是它包括激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)、深冷處理系統(tǒng)和可調(diào)工作臺25等，激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)包括激光器3、反光鏡2、激光擴(kuò)束裝置I、耐高壓玻璃18、約束層19以及黑漆保護(hù)層20，深冷處理系統(tǒng)包括工作腔(14)、液氮罐(12)、液氮輸送管(6)、液氮開關(guān)(5)、流量控制閥(4)、液氮存儲腔(13)、氮?dú)饣亓鞴?7)、氮?dú)庖夯b置(9)、增壓閥(10)、氮?dú)饣厥展?11)、排氣管(8)，可調(diào)工作臺25安裝在工作腔14中，工作腔14與液氮存儲腔13通過金屬隔板相隔，可調(diào)工作臺25上安裝有加熱平臺24，基體22安裝在加熱平臺24上，在基體22和加熱平臺24之間加裝有壓電膜傳感器23，納米粉末21覆蓋在基體22上，黑漆層20涂覆在約束層19與納米粉末21相對的一面上，在約束層19的正上方、工作腔14的入口處安裝有耐高壓玻璃18，激光擴(kuò)束裝置I位于工作腔14外、所述耐高壓玻璃18窗口的上方，激光擴(kuò)束裝置I在機(jī)械手的帶動下能在耐高壓玻璃18上方左右或前后移動；所述的液氮存儲腔13通過液氮輸送管6及氮?dú)饣厥展?及相應(yīng)的控制閥門與液氮罐12相連通實(shí)現(xiàn)液氮存儲腔13中液氮的充注和排泄。所述的壓電膜傳感器23以及安裝在工作腔14中的溫度傳感器17、控制閥門、可調(diào)工作臺25的電控裝置和加熱平臺24均與集成模塊控制器15電氣連接，集成模塊控制器15受控于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16。所述的集成模塊控制器15集成的信息包括了壓電膜傳感器的激光誘導(dǎo)沖擊壓力、溫度傳感器的工作腔溫度、控制閥門的液氮流量、加熱平臺的加熱溫度以及可調(diào)工作臺的位移；用導(dǎo)線將壓電膜傳感器、溫度傳感器、控制閥門、加熱平臺以及可調(diào)工作臺連接起來；集成模塊控制器在線實(shí)時監(jiān)測上述采集信息，并反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，然后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過集成模塊控制器來控制上述信息。。所述的液氮罐12以及工作腔14和液氮存儲腔13的外壁均采用保溫材料覆蓋；工作腔與液氮存儲腔連為一體，中間用金屬板隔開。所述的激光器3發(fā)出的光束經(jīng)過激光擴(kuò)束裝置I以后的光斑面積能夠覆蓋整個涂層。所述的約束層19可以為耐高溫玻璃或者耐熱硅油等透明的耐熱材料。本發(fā)明的有益效果
(I)本發(fā)明利用了超低溫恒壓阻礙擠壓技術(shù)，不但可以消除涂層內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力，而且可以顯著提高涂層與基體的附著力。 (2)本發(fā)明還可以提高涂層與基體的整體的機(jī)械性能，例如硬度以及疲勞強(qiáng)度等。(3)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便并且成本低廉。


圖I為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為超低溫恒高壓阻礙擠壓技術(shù)的原理圖。圖3為溫控系統(tǒng)的工作原理圖。圖中1、激光擴(kuò)束裝置(激光誘導(dǎo)產(chǎn)生涂層時處于右邊虛線位置，激光誘導(dǎo)處理涂層時處于左邊實(shí)線位置)；2、反光鏡；3、激光器；4、流量控制閥；5、液氮開關(guān)；6、液氮輸送管；7、氮?dú)饣厥展埽?、排氣管；9、氮?dú)庖夯b置；10、增壓閥；11、液氮回流管；12、液氮罐；13、液氮存儲腔；14、工作腔；15、集成模塊控制器；16、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；17、溫度傳感器；18、耐高壓玻璃；19、約束層；20、黑漆(保護(hù)層)；21、納米粉末；22、基體；23、壓電膜傳感器；24、加熱平臺；25、可調(diào)工作臺；26、工作臺腳架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一。如圖2所示。一種獲取高附著力納米涂層的方法，通過涂層與基體發(fā)生咬合效應(yīng)及滲透效應(yīng)，結(jié)合超低溫恒高壓阻礙擠壓從根本上提高了涂層與基體的附著力，在超低溫下，基體會劇烈收縮，激光誘導(dǎo)沖擊力阻礙了基體往外擠壓涂層運(yùn)動，使涂層與基體在恒定的高壓下收縮，最終導(dǎo)致涂層原子與基體原子結(jié)合更加緊湊，并發(fā)生咬合效應(yīng)與滲透效應(yīng)，從根本上顯著提高涂層與基體的附著力，如圖2。它包括以下步驟
A)將涂有一層納米粉末21以及黑漆保護(hù)層20的工件22放在工作腔14中的加熱平臺24上，并在工件下表面設(shè)置一個壓電膜傳感器23，在黑漆上方設(shè)置約束層19 (可采用K9玻璃加以實(shí)現(xiàn))。B)開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16，控制加熱平臺24使工作腔14溫度保持在8(Tl50°C。C)調(diào)節(jié)機(jī)械手，將激光擴(kuò)束裝置I放置在偏離激光光路的位置，開啟并設(shè)置激光器3能量為6 10J，啟動可調(diào)工作臺25 (也可采用兩軸、或三軸工作臺，但以五軸為最佳)進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊產(chǎn)生涂層。
D)激光誘導(dǎo)沖擊完畢以后，調(diào)節(jié)機(jī)械手將激光擴(kuò)束裝置I放置在反射鏡與工作腔之間，調(diào)節(jié)工作臺25位置使擴(kuò)束以后的激光光束覆蓋整個納米涂層表面。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16調(diào)節(jié)激光能量為5 15J，按E)、F)、G)的要求進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層。E)打開液氮開關(guān)5，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16調(diào)節(jié)液氮的流量至3(T50cm3/S，使工作腔14溫度以2 10°C /min的平均速度下降到-13(T_169°C，并保溫I 24h。F)保溫完畢后，關(guān)閉液氮開關(guān)5，打開工作腔14的密封口，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16實(shí)時監(jiān)測工作腔14溫度，并控制加熱平臺24進(jìn)行升溫，使工作腔溫度按照2 10°C /min的平均速度升溫至室溫(25 °C)。G)當(dāng)工作腔溫度達(dá)到室溫(25°C)后，斷開激光器3開關(guān)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16，并取下工件22。
以碳化硅涂層硬質(zhì)合金刀具為例。激光器3采用Nd: YAG固體激光器，參數(shù)如下激光能量5 10J，激光光斑直徑5mm。激光擴(kuò)束裝置放大倍數(shù)為X 10。激光沖擊涂層區(qū)域40mmX40mmX2mm。實(shí)施具體過程如下
A)將涂有一層碳化硅納米粉末21以及黑漆保護(hù)層20的硬質(zhì)合金刀具22放在工作腔14中的加熱平臺24上，并在刀具下表面設(shè)置一個壓電膜傳感器23，在黑漆上方放置K9玻璃19作為約束層。B)開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16，控制加熱平臺24使工作腔14溫度保持在100°C。C)調(diào)節(jié)機(jī)械手，將激光擴(kuò)束裝置I放置在偏離激光光路的位置，開啟并設(shè)置激光器能量為8J，啟動可調(diào)工作臺25進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊產(chǎn)生碳化硅涂層。D)激光誘導(dǎo)沖擊完畢以后，調(diào)節(jié)機(jī)械手將激光擴(kuò)束裝置I放置在反射鏡與工作腔之間，調(diào)節(jié)工作臺25位置使擴(kuò)束以后的激光光束覆蓋整個納米涂層表面。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16調(diào)節(jié)激光能量為10J，按步驟E)、F)、G)的要求進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層。E)打開液氮開關(guān)5，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16調(diào)節(jié)液氮的流量至45cm3/s，使工作腔14溫度傳感器17測得的溫度以10°C /min的平均速度下降到_130 _169°C，并保溫l 24h。F)保溫完畢后，關(guān)閉液氮開關(guān)5，打開工作腔14的密封口，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16實(shí)時檢測工作腔14溫度，并控制加熱平臺24進(jìn)行升溫，使工作腔溫度按照10°C /min的平均速度升溫至室溫(25 °C)。G)當(dāng)工作腔溫度達(dá)到(25°C )后，斷開激光器3開關(guān)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16，并取下刀具22。根據(jù)XRD衍射儀檢測的殘余應(yīng)力結(jié)果，利用本發(fā)明處理涂層之后，涂層的殘余應(yīng)力為-87MPa的殘余壓應(yīng)力，與沉積法制備的涂層的殘余熱應(yīng)力(IGpa左右)相比，顯著改善了涂層的力學(xué)性能。根據(jù)附著力檢測儀的測試結(jié)果，利用本發(fā)明處理涂層之后，涂層與基體的附著力為82. 7MPa，與沉積法制備的涂層的附著力(2(T40Mpa)相比，附著力提高了將近2倍。實(shí)施例二。如圖1、3所示。一種獲取高附著力納米涂層的裝置，包括激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)、深冷處理系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、可調(diào)工作臺、加熱平臺。激光沖擊系統(tǒng)包括激光器3、反光鏡2、激光擴(kuò)束裝置I、耐高壓玻璃18、約束層19以及黑漆20。其中，激光器3設(shè)置在工作腔14的上方，激光擴(kuò)束裝置I采用水平移動的機(jī)械手夾持當(dāng)激光誘導(dǎo)沖擊產(chǎn)生涂層時，機(jī)械手夾持激光擴(kuò)束裝置I偏離激光光路(圖I中虛線所示);當(dāng)激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層時，機(jī)械手夾持激光擴(kuò)束裝置I位于激光光路中心(圖I中實(shí)線位置)，激光器3發(fā)出的光束經(jīng)過激光擴(kuò)束裝置I以后的光斑面積能夠覆蓋整個涂層區(qū)域。所述的約束層19可以為耐高溫玻璃或者耐熱硅油等透明的耐熱材料。深冷處理系統(tǒng)包括工作腔14、液氮罐12、液氮輸送管6、液氮開關(guān)5、流量控制閥4、液氮存儲腔13、氮?dú)饣亓鞴?1、氮?dú)庖夯b置9、增壓閥10、氮?dú)饣厥展?、排氣管8。其中，液氮罐12及液氮存儲腔13用液氮輸送管6連接，在液氮輸送管6上設(shè)有一個液氮開關(guān)5及流量控制閥4，用液氮回流管11、氮?dú)饣厥展?將液氮罐、氮?dú)庖夯b置9及液氮存儲腔13連接起來，在液氮回流管11上設(shè)有增壓閥10、氮?dú)庖夯b置9以及一根排氣管8，液氮罐12以及工作腔14和液氮存儲腔13外壁均采用保溫材料覆蓋，工作腔14與液氮存儲腔13連為一體，中間用導(dǎo)熱性能較好的金屬板隔開。輔助控制系統(tǒng)包括溫度傳感器17、壓電膜傳感器23、集成模塊控制器15以及計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)16。其中，壓電膜傳感器23、溫度傳感器17、流量控制閥4、加熱平臺24，可調(diào)工作臺25以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)16與集成模塊控制器15之間用導(dǎo)線連接；集成模塊控制器15集成的信息包括了壓電膜傳感器的激光誘導(dǎo)沖擊壓力、溫度傳感器的工作腔溫度、流量控制閥的液氮流量、加熱平臺的加熱溫度以及可調(diào)工作臺的位移；集成模塊控制器能在線實(shí)時監(jiān)測上述采集信息，并反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，然后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過集成模塊控制器來調(diào)節(jié)上述信息。如圖3所示?？烧{(diào)工作臺25安裝在工作腔14中，工作腔14與液氮存儲腔13通過金屬隔板相隔，可調(diào)工作臺25上安裝有加熱平臺24，基體22安裝在加熱平臺24上，在基體22和加熱平臺24之間加裝有壓電膜傳感器23，納米粉末21覆蓋在基體22上，黑漆層20涂覆在約束層19與納米粉末21相對的一面上，在約束層19的正上方、工作腔14的入口處安裝有耐高壓玻璃18，激光擴(kuò)束裝置I位于工作腔14外、所述耐高壓玻璃18窗口的上方，激光擴(kuò)束裝置I在機(jī)械手的帶動下能在耐高壓玻璃18上方左右或前后移動；所述的液氮存儲腔13通過液氮輸送管6及氮?dú)饣厥展?及相應(yīng)的控制閥門與液氮罐12相連通實(shí)現(xiàn)液氮存儲腔13中液氮的充注和排泄。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種獲取高附著力納米涂層的方法，通過涂層與基體發(fā)生咬合效應(yīng)及滲透效應(yīng)，結(jié)合超低溫恒高壓阻礙擠壓從根本上提高了涂層與基體的附著力，其特征是它包括以下步驟 A)將涂有一層納米粉末以及黑漆保護(hù)層的基體放在工作腔中的加熱平臺上，并在基體下表面設(shè)置一個壓電膜傳感器，在黑漆上方設(shè)置約束層； B)開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制加熱平臺使工作腔溫度保持在8(Tl50°C； C)調(diào)節(jié)機(jī)械手，將激光擴(kuò)束裝置放置在偏離激光光路的位置，開啟并設(shè)置激光器能量為6 10J，啟動可調(diào)工作臺進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊產(chǎn)生涂層； D)激光誘導(dǎo)沖擊完畢后，調(diào)節(jié)機(jī)械手將激光擴(kuò)束裝置放置在激光光路中，并調(diào)節(jié)可調(diào)工作臺位置使擴(kuò)束以后的激光光束覆蓋整個納米涂層表面；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光能量為5 15J，按步驟E)、F)、G)的要求進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層； E)打開液氮開關(guān)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液氮流量至3(T50cm3/S，使工作腔溫度以2 10°C /min的平均速度下降到-13(T_169°C，并保溫I 24h ； F)保溫完畢后，關(guān)閉液氮開關(guān)，打開工作腔的密封口，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測工作腔溫度，并控制加熱平臺進(jìn)行升溫，使工作腔溫度按照2 10°C /min的平均速度升溫至室溫(25。。)； G)當(dāng)工作腔溫度達(dá)到室溫(25°C)時，斷開激光器開關(guān)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并取下工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的約束層為K9玻璃。
3.一種獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是它包括激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)、深冷處理系統(tǒng)和可調(diào)工作臺(25)等，激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)包括激光器(3)、反光鏡(2)、激光擴(kuò)束裝置(I)、耐高壓玻璃(18)、約束層(19)以及黑漆保護(hù)層(20)，深冷處理系統(tǒng)包括工作腔(14)、液氮罐(12)、液氮輸送管(6)、液氮開關(guān)(5)、流量控制閥(4)、液氮存儲腔(13)、氮?dú)饣亓鞴?7)、氮?dú)庖夯b置(9)、增壓閥(10)、氮?dú)饣厥展?11)、排氣管(8)，可調(diào)工作臺(25)安裝在工作腔(14)中，工作腔(14)與液氮存儲腔(13)通過金屬隔板相隔，可調(diào)工作臺(25)上安裝有加熱平臺(24)，基體(22)安裝在加熱平臺(24)上，在基體(22)和加熱平臺(24)之間加裝有壓電膜傳感器(23)，納米粉末(21)覆蓋在基體(22)上，黑漆層(20)涂覆在約束層(19)與納米粉末(21)相對的一面上，在約束層(19)的正上方、工作腔(14)的入口處安裝有耐高壓玻璃(18)，激光擴(kuò)束裝置(I)位于工作腔(14)外、所述耐高壓玻璃(18)窗口的上方，激光擴(kuò)束裝置(I)在機(jī)械手的帶動下能在耐高壓玻璃(18)上方左右或前后移動；所述的液氮存儲腔(13)通過液氮輸送管(6)及氮?dú)饣厥展?7)及相應(yīng)的控制閥門與液氮罐(12)相連通實(shí)現(xiàn)液氮存儲腔(13)中液氮的充注和排泄。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是所述的壓電膜傳感器(23)以及安裝在工作腔(14)中的溫度傳感器(17)、控制閥門、可調(diào)工作臺(25)的電控裝置和加熱平臺(24)均與集成模塊控制器(15)電氣連接，集成模塊控制器(15)受控于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(16 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是所述的集成模塊控制器(15)集成的信息包括了壓電膜傳感器的激光誘導(dǎo)沖擊壓力、溫度傳感器的工作腔溫度、控制閥門的液氮流量、加熱平臺的加熱溫度以及可調(diào)工作臺的位移；用導(dǎo)線將壓電膜傳感器、溫度傳感器、控制閥門、加熱平臺以及可調(diào)工作臺連接起來；集成模塊控制器在線實(shí)時監(jiān)測上述采集信息，并反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，然后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過集成模塊控制器來控制上述信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是所述的液氮罐(12)以及工作腔(14)和液氮存儲腔(13)的外壁均采用保溫材料覆蓋；工作腔與液氮存儲腔連為一體，中間用金屬板隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是所述的激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過激光擴(kuò)束裝置(I)以后的光斑面積能夠覆蓋整個涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取高附著力納米涂層的裝置，其特征是所述的約束層可以為耐高溫玻璃或者耐熱硅油等透明的耐熱材料。
全文摘要
一種獲取高附著力納米涂層的方法及裝置，所述的方法是首先在80～150℃下使用激光誘導(dǎo)沖擊納米粉末得到納米涂層，然后利用超低溫恒高壓阻礙擠壓技術(shù)，在超低溫下進(jìn)行激光誘導(dǎo)沖擊處理涂層。所述的裝置包括激光誘導(dǎo)沖擊系統(tǒng)、深冷處理系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、可調(diào)工作臺、加熱平臺等。本發(fā)明利用超低溫恒高壓阻礙擠壓技術(shù)在超低溫下，基體會發(fā)生劇烈收縮，激光誘導(dǎo)沖擊力阻礙了基體往外擠壓涂層運(yùn)動，使涂層與基體在恒定的高壓下收縮，最終導(dǎo)致涂層原子與基體原子結(jié)合更加緊湊，并發(fā)生咬合效應(yīng)與滲透效應(yīng)，從根本上解決了涂層與基體附著力較差的難題。
文檔編號C23C24/04GK102776506SQ201210281990
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者周建忠, 孟憲凱, 楊晶, 王宏宇, 謝小江, 黃舒 申請人:江蘇大學(xué)