金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法.pdf

本发明公开了一种金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法，包括以下步骤：⑴在金属零部件表面涂覆厚度为50～120μm的涂层；⑵将步骤⑴金属零部件置于气压小于5.0×10-2Pa的真空室；同时进行电子束表面改性处理：工作距离为200～500mm，加速电压为30～60Kv；采用上聚焦方式，聚焦电流为2000～4000mA，束流为15～30mA，速度为500～1000mm/min。本发明对料浆涂覆方法获得的涂层采用高能电子束进行改性处理，改性处理时采用能够获得热作用效果一致的电子束均匀束斑，并结合表面特点利用专用电磁偏转装置对电子束运动轨迹进行预先规划和设计，从而实现涂覆涂层的快速表面改性处理，达到改善涂层性能的目的。

权利要求书
1.  一种金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法，包括以下步骤：
⑴、在金属零部件表面涂覆厚度为50～120μm的涂层；
⑵、将步骤⑴金属零部件置于气压小于5.0×10-2Pa的真空室；同时进行电子束表面改性处理：工作距离为200～500mm，加速电压为30～60Kv；采用上聚焦方式，聚焦电流为2000～4000mA，束流为15～30mA，速度为500～1000mm/min。

2.  如权利要求1所述改性方法，其特征在于：该金属零部件的表面涂覆前先进行预处理，清洁度达到Sa2.5级，粗糙度控制在30～70微米。

3.  如权利要求1所述改性方法，其特征在于：步骤⑵中金属零部件为点接触固定在真空室内。

4.  如权利要求1所述改性方法，其特征在于：步骤⑵中电子束的束斑为均匀设置。

5.  如权利要求1所述改性方法，其特征在于：该表面为曲面，在真空室外设置控制电子束偏移的电磁偏转装置。

6.  如权利要求1所述改性方法，其特征在于：金属零部件尺寸大于束斑时，重复步骤⑵，束斑或金属零部件的移动距离为0.6～0.8倍束斑直径距离。

说明书金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性技术领域，尤其是一种涂层的高能束改性处理方法，具体涉及一种金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法。
背景技术
料浆涂覆工艺是目前航天领域技术最为成熟且广泛应用的涂层预置技术，但该方法制备的涂层存在表面疏松、厚度不均，内部存在孔洞及裂纹缺陷等问题，在使用过程中上述缺陷易造成涂层防护性能的下降，影响航天器使用寿命。随着我国航天事业的发展，迫切需要进一步提高涂层寿命和性能，电子束表面改性具有能量密度高、能量利用率高、真空清洁环境等优势，改性时产生的巨大能量可引发材料表面的快速熔化和快速凝固效应，使材料表面的光洁度、组织形貌、相成分和应力状态发生有益的转变，从而提高材料的硬度、耐磨、耐蚀或抗氧化等性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法，实现涂覆涂层的快速表面改性处理，达到改善涂层性能的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法，包括以下步骤：
⑴、在金属零部件表面涂覆厚度为50～120μm的涂层；
⑵、将步骤⑴金属零部件置于气压小于5.0×10-2Pa的真空室；同时进行电子束表面改性处理：工作距离为200～500mm，加速电压为30～60Kv；采用上聚焦方式，聚焦电流为2000～4000mA，束流为15～30mA，速度为500～1000mm/min。
进一步地，该金属零部件的表面涂覆前先进行预处理，清洁度达到Sa2.5级，粗糙度控制在30～70微米。
进一步地，步骤⑵中金属零部件为点接触固定在真空室内。
进一步地，步骤⑵中电子束的束斑为均匀设置。
进一步地，该表面为曲面，在真空室外设置控制电子束偏移的电磁偏转装置。
进一步地，金属零部件尺寸大于束斑时，重复步骤⑵，束斑或金属零部件的移动距离为0.6～0.8倍束斑直径距离。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：对料浆涂覆方法获得的涂层采用高能电子束进行改性处理，改性处理时采用能够获得热作用效果一致的电子束均匀束斑，并结合表面特点利用专用电磁偏转装置对电子束运动轨迹进行预先规划和设计，从而实现涂覆涂层的快速表面改性处理，达到改善涂层性能的目的。
本发明将涂层制备技术和电子束改性技术进行了有机结合，在真空环境下对涂层进行电子束改性处理。与常规激光改性相比，不需要保护气体，对涂层的保护更好，同时避免了在高能热源作用下的涂层被提前氧化的问题。电子束对涂层改性后，解决了预置涂层存在表面疏松、厚度不均，内部存在孔洞及裂纹缺陷等问题，有效改善了硅化物涂层表面和内部质量。
附图说明
图1是本发明对平面涂层改性原理图；
图2是本发明对零件外表面涂层改性原理图；
图3是本发明对零件内表面涂层改性原理图；
图4-1是原始涂层的电子放大图；
图4-2是本发明改性后的涂层的电子放大图；
图5是改性前后典型表面颗粒形貌：左图为改性前，右图为改性后的；
图6是改性前后典型表面形貌：左图为改性前，右图为改性后的。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1和2所示，待处理零件表面为平面或外表面时，金属基料浆涂覆涂层真空电子束表面改性方法，包括下列步骤：
（1）将需要预置涂层的零件基材3利用物理或化学方法进行表面预处理，使零件表面清洁度达到Sa2.5级，粗糙度控制在30～70微米；
（2）采用料浆烧结法在零件表面制备涂层，涂层2厚度为50～120μm；
（3）利用专用工装夹具通过点接触方式将预置涂层后的零件进行水平装夹固定，使其某一个表面能够完全被电子束处理；
（4）将固定后的零件放入真空室X-Y工作台，并抽真空，使真空室的真空度优于5.0×10-2Pa；
（5）调整工作距离和电子束参数进行零件的表面处理，工作距离为200～500mm，加速电压为30～60Kv，聚焦方式采用上聚焦，聚焦电流为2000～4000mA，束流为15～30mA，速度为500～1000mm/min。
（6）当待改性表面为平面时，电子枪1沿X或Y方向移动进行涂层第一道改性处理，然后电子枪1或零件沿Y或X方向移动0.8倍束斑11直径距离，开始第二道改性处理，以此往复直至完成该平面的改性处理后，真空室充气并取出零件。
（7）重新选择待改性处理的平面，并重新装夹零件，重复步骤（4）至步骤（6），直至零件所有外表面都被电子束改性处理。
（8）当待改性表面为旋转外表面时，电子枪沿曲面轴向移动进行涂层第一道改性处理，然后零件旋转0.8倍束斑直径对应的角度，开始第二道改性处理，以此往复直至完成该表面的改性处理后，真空室充气并取出零件。

如图3所示，当待处理零件表面为零件内表面时，本发明的改性方法包括下列步骤：
（1）将需要预置涂层的零件利用物理或化学方法进行表面预处理，使零件表面清洁度达到Sa2.5级，粗糙度控制在30～70微米；
（2）采用料浆烧结法在零件内表面制备涂层，涂层厚度为50～120μm；
（3）利用专用工装夹具通过点接触方式将预置涂层后的零件进行竖直装夹固定，并能够在垂直方向做旋转运动；
（4）利用电磁偏转控制装置，使电子束沿管材中心入射后在偏转磁场的控制下发生偏转，并垂直作用在管材内表面。
（5）将固定后的零件放入真空室X-Y工作台，并抽真空，使真空室的真空度优于5.0×10-2Pa；
（6）调整工作距离和电子束参数进行零件的表面处理，工作距离为200～500mm，加速电压为30～60Kv，聚焦方式采用上聚焦，聚焦电流为2000～4000mA，束流为15～30mA，速度为500～1000mm/min，偏转装置励磁电流为100～600mA。
（7）零件旋转进行内表面第一道改性处理，然后将零件沿电子枪1轴向方向移动0.8倍束斑直径距离，进行第二道改性处理，以此往复直至完成零件全部曲面或内表面的改性处理后，真空室充气并取出零件。
（8）零件旋转进行内表面第一道改性处理，然后调整电磁偏转装置4的励磁电流，使电子束斑沿管材轴向移动0.8倍束斑直径距离，进行第二道改性处理，以此往复直至完成管材零件内表面的改性处理后，真空室充气并取出零件。
实施例1
基材3为铌合金板材，厚度为3mm。所述改性过程为：
步骤一、将需要预置涂层的铌合金板材零件利用物理或化学方法进行表面预处理，使表面清洁度达到Sa2.5级，粗糙度为70微米；
步骤二、采用料浆烧结法，按照涂层制备工艺在铌合金板材零件表面预置硅化物涂层，涂层厚度为100μm；
步骤三、利用工装夹具通过点接触方式将预置涂层后的铌合金板材零件进行水平装夹固定，使其某一个表面能够完全被电子束处理；
步骤四、将固定后的铌合金板材零件放入真空室X-Y工作台，并抽真空，使真空室的真空度为4.0×10-2Pa；
步骤五、调整工作距离和电子束参数进行零件的表面处理，工作距离为300mm，加速电压为50Kv；聚焦方式采用上聚焦，聚焦电流为2080mA，束流为18mA，速度为700mm/min。
步骤六、电子枪沿X方向移动进行第一道改性处理，然后工作台沿Y方向移动0.8倍束斑直径距离，开始第二道改性处理，以此往复直至完成该表面的改性处理后，真空室充气并取出零件。
步骤七、重新选择待改性处理的表面，并重新装夹零件，重复步骤（4）至步骤（6），直至零件所有表面都被电子束改性处理。
实施例2
基材3为钛合金管材，内径为20mm，壁厚为2mm。所述改性过程为：
步骤一、将需要预置涂层的钛合金管材零件利用物理或化学方法进行表面预处理，使零件表面清洁度达到Sa2.5级，粗糙度控制在35微米；
步骤二、采用料浆烧结法，按照涂层制备工艺在铌合金板材零件表面预置铝化物涂层，涂层厚度为90μm；
步骤三、利用工装夹具通过点接触方式将预置涂层后的零件进行水平装夹固定，并能够在水平方向做旋转运动；
步骤四、将固定后的零件放入真空室X-Y工作台，并抽真空，使真空室的真空度为3.5×10-2Pa；
步骤五、调整工作距离和电子束参数进行零件的表面处理，工作距离为400mm，加速电压为60Kv，聚焦方式采用上聚焦，聚焦电流为3100mA，束流为21mA，速度为820mm/min。
步骤六、零件旋转进行外表面第一道改性处理，然后将电子枪沿管材轴向移动0.8倍束斑直径距离，进行第二道改性处理，以此往复直至完成管材零件外表面的改性处理后，真空室充气并取出零件，如图2所示。
步骤七、利用工装夹具通过点接触方式将预置涂层后的零件进行竖直装夹固定，并能够在垂直方向做旋转运动；
步骤八、利用电磁偏转控制装置，使电子束沿管材中心入射后在磁场的控制下发生偏转，并垂直作用在管材内表面，偏转装置励磁电流为400～600mA。
步骤九、零件旋转进行内表面第一道改性处理，然后根据电磁偏转装置的特性，调整励磁电流大小使电子束斑沿管材轴向移动0.6倍束斑直径距离，进行第二道改性处理，以此往复直至完成管材零件内表面的改性处理后，真空室充气并取出零件，如图3所示。
图4-1和图4-2所示的是电子放大涂层经改性处理前后的粗糙度变化图，原始涂层经熔覆处理后，粗糙度得到显著下降，原始涂层的粗糙度一般20μm左右（如图4-1所示），改性后涂层的粗糙度仅有2μm左右（如图4-2所示）。
图5所示的是改性前后典型表面颗粒形貌，颗粒尺寸降到2μm左右（右图所示），颗粒大小均匀，相比原始涂层（左图所示），晶粒细化了一个数量级以上。原始烧结涂层脆硬，极易破碎形成裂纹，改性过程中流动的熔融态的液体对裂纹有治愈作用，改性后形成少裂纹甚至无裂纹涂层。
图6所示的是涂层电子束改性处理前后的表面形貌：电子束改性前后涂层的放大1000倍SEM对比照片，统计出的烧结涂层孔隙率为7.3% (左图)，改性后涂层孔隙率为0.7% (右图)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。