一种超细晶、纳米晶涂层的形成工艺 技术领域：
本发明涉及表面工程技术领域，具体是在基材表面涂覆超细晶或纳米晶的涂覆工艺。技术背景：
表面工程技术就是利用各种表面涂镀层及改性技术，以少量的膜层材料获得基材不具备而又期望具有的性能与功能，它可显著提高材料表面的耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐磨性能，从而显著提高部件的使用寿命。
磨损、断裂和腐蚀是材料破坏的三种主要形成，据统计，在我国的各工业部门使用的零件中，因磨损导致失效而必须修理的，约占零件总数的60％以上。由磨损造成的经济损失也是巨大地。在工业国家每年磨损带来得损失占到国民生产总值的2～8％，其中仅磨损造成的损失占到国民生产总值的1～4％，根据有关研究，设备的维护和修理的费用占到机器费用的30～50％。以上这些还仅仅是由于磨损造成的直接损失，如果将由于磨损所造成的停工停产所引起的损失统计在内，其数字更是惊人。目前表面涂层技术的工艺过程根椐沉积相的状态分为四类，气相沉积，液相沉积，熔融相沉积，固相沉积，这些常规的表面涂层技术都有各自的优势和局限性，制作的涂层的性能相差很大。根据磨料磨损的机理，磨损是由于表层的显微切削与磨料在与工具表面接触过程中使材料表面发生塑性变形，消耗了材料的塑性，直到产生显微裂纹，发生显微剥落。其中显微剥落造成的磨损占了87％～94％，因此，涂层与基体的结合强度，在提高材料的磨损性方面，有着重要的意义。
传统的热喷涂技术如电弧喷涂、火焰喷涂等存在如下缺陷，(1)喷涂速度低，在数百-1500米/秒的范围内，涂层与基体的结合强度较低，一般为40MPa以下，不宜作为耐磨涂层，(2)难以对一些高熔点材料(如WC-Co)进行喷涂，(3)一般不能制备超细晶、纳米晶涂层。PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)工艺也可制备涂层，但需将工件加热到较高的温度。激光或电子束的表面熔覆处理可以制备出超细晶涂层，激光，电子束熔覆涂层的缺点是由于光斑较小，需反复扫描，在熔覆过程中易发生桥接现象，桥接面主要靠VanderWalls(范德霍尔斯)力连接，结合力很弱，在外力作用下极易在该面发生破坏，导致耐磨涂层的剥落。
纳米材料是目前具良好前景的技术领域，经过研究发现超细晶、纳米晶材料具有优良的力学性能，如高强度和韧性，因此开发纳米耐磨涂层具有重大的应用前景。发明内容：
本发明的发明目的是公开在基体材料表面制备高结合强度的耐磨耐蚀及抗氧化的超细晶、纳米晶涂层的形成工艺。
实现本发明的发明目的技术步骤如下：
(1)对基体的待涂覆表面作常规预处理；
(2)将涂层材料加工成一定直径的线材或一定尺寸的箔状后，置放在距基体待涂覆表面的适当距离；
(3)上述涂层材料中通过瞬时大电流，发生电爆炸后形成的飞散速度为500～3000m/s的微粒冲击待涂覆基体的表面，形成超细晶体或纳米晶涂层。
本发明的涂覆机理是热喷涂原理和高速碰撞冲击力学原理，高速飞行的涂层材料微粒碰撞基体的瞬时，在微粒与基体的碰撞界面产生几万至十几万大气压的压力，同时在基体中产生一个向前的冲击波，上述压力已远远超出任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，其力学性能也是流体性能，在质量扩散和冲击波后粒子的向前运动的作用下，微粒与基体材料结合出一致密的流体结合层，基体材料和待涂覆材料微粒相互渗透，最终在基体表面形成纳米晶的涂覆层或当喷涂微粒的温度达数千摄氏度且以一定速度撞击基体表面时，微粒携带的热量和高速碰撞产生的热量将基体表面薄层熔化，形成一涂覆材料和基体材料的混合层，涂层与基体为冶金结合。具体实施方式：
本发明的具体实施则详细描述如下
(1)对基体的待涂覆表面作常规预处理；
(2)将涂层材料加工成一定直径的线材或一定尺寸的箔状后，置放在距基体待涂覆表面的适当距离；
(4)上述涂层材料中通过瞬时大电流，发生电爆炸后形成的飞散速度为500～3000m/s的微粒冲击待涂覆基体的表面，形成超细晶体或纳米晶涂层。
在上述的步骤(2)中，涂层材料无论作为线材还是箔状，其直径或厚度均需作到相当小的尺寸，其实质是增加线材或箔状材料的电阻，以利于电爆炸，这是现有的电学原理和现有的实际技术。在上述的步骤(2)后，还可以采取步骤(2-1)，即将加工一定直径或一定厚度的待涂层材料与基体均放置与真空或保护气体环境中，然后在通电进行涂覆，其目的是如果待涂覆材料为易氧化的金属，电爆炸产生的微粒是处于高温状态，在空气环境中微粒易被氧化而成为金属氧化物，将会影响生成的涂层的性能，在真空或保护气体状态下则可以避免金属被氧化，当然如果待涂覆材料为不易氧化的合金，完全可以在空气状态下进行涂覆，真空喷涂同时还具有使涂层致密、没有气孔产生的优点。
本发明中，金属微粒冲击在基体材料表面时，具有一种连续冲击的现象，其原因是金属丝或金属箔通电爆炸后，微粒的飞散为雾状，微粒冲击基体在一极短时间段内是连续的，这样在基体表面形成一多层的致密的超细晶或纳米晶的涂层，具体是基体材料层表面为基体材料和涂层金属的混合层，最外表面为被涂覆的超细晶或纳米晶金属层。
本发明的涂覆金属层表面为一纳米晶级的金属微粒，其表面已达到相当高的光洁度，电爆炸产生的喷涂粒子的尺寸和速度场有分散度，故涂覆在基体上的金属微粒在很小尺寸上是不均匀的，为提高其平整度或光洁度，在上述的步骤(3)的同时，对基体表面的涂层直接施加一个平面冲击，则可得到更高光洁度的涂层；上述的直接冲击具体是指用一具高光洁度表面的金属块对形成的涂层进行冲击，这里为使具高洁度表面的金属块对涂覆层具有一定的冲击力和涂层的流体变形及形成时的高温未冷却前进行冲击，金属块应具有一定的冲击速度，并应在涂层形成后的极短时间进行冲击。
前面已描述了爆炸丝自由爆炸时，金属微粒的飞散存在一定的分散度，则金属微粒在基体材料表面的分布是不均匀的，且喷涂速度非常低(数百m/s以下)；为了显著提高喷涂速度，且实现在基体表面的定向喷涂，在前述的步骤(2)所述的待涂层材料与基体之间施加一个约束微粒向四周边缘飞散的限制装置，也可称作电爆炸室，其内部形状是矩形截面的变截面空腔，其下端的开口的面积大于或等于待涂覆的金属丝或箔的最大尺寸，其上端接近待涂覆的基体材料的表面，上述的电爆炸室也可是其它形状的可起约束微粒飞散的装置，上述的电爆炸室应由绝缘材料制成，其既能绝缘又能耐高温和一定的冲击。
在很多特定条件下，对涂层的厚度有一定的要求，一般情况下，单次喷涂的涂层厚度可达10～80μm，如需涂层的厚度为更大的值以达到特定的需要，前述的步骤(3)应为多次喷涂，既对同一部件的同一位置多次重复进行电爆炸，最终可使涂层厚度达到数百微米。
另外单根爆炸丝，单次电爆炸喷涂其喷涂的面积是有限的，一般为10cm2左右，为喷涂更大面积的涂层并使涂层的均匀和工艺性一致，可利用多台电爆炸装置，然后再通大电流导致多点同时电爆炸，则可得到较大面积的和更为分布均匀的涂层。
上述的多次喷涂时，可每次喷涂后均施加一次直接冲击，以达到一定的厚度要求又达到相当高的光洁度，也可在多次喷涂后再施加一次直接冲击，前面已描述直接冲击具体是指用一具高光洁度表面的金属块对形成的涂层进行冲击，这里的金属块是指其具有一定的速度，对该速度没有太大的限制，使金属块具有一定的速度的方法很多，本实施例中使用的是利用一线圈在通电时产生的电磁力驱动金属块冲击涂层，或利用电爆炸的方式驱动金属块，上述两种方法的目的是其驱动力大并具动态响应高，可以做到金属块驱动与金属丝或箔涂料的电爆炸达到符合要求的同步要求。
本发明具有非常显著的优点，主要如下：1、可制备超细晶(晶粒直径0.1～10μm)、纳米晶(晶粒直径≤100nm)耐磨或耐蚀涂层，使喷涂部件的寿命显著延长，能在金属和非金属工件的内外表面进行喷涂，2、喷涂厚度可控制；3、即可以在常温和正常大气压下进行喷涂，也可在真空状态或保护气体环境下喷涂；4、由于涂层与基体可达到冶金结合，涂层与基体结合强度高，可达100～数百Mpa，任何导电材料均可作为涂层材料，5、成本较低，并没有环境污染，6、合金材料可作为涂层材料，这是一般化学方法难以做到的。
本发明在技术的基本构成上没有特殊的难处，特别是在大电流的形成上是现有技术，电爆炸的原理和技术也是现有技术，但作为涂覆工艺或作为表面工程技术领域未见有报道，其具有极好的应用推广前景和良好的经济与社会效益，特别是对高技术领域的特殊工件的高要求涂层具有独特的优势。