涂覆工艺、复合材料、应用、金属基材料的表面处理方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种涂覆工艺、复合材料、应用、金属基材料的表面处理方法。
背景技术
激光涂覆技术可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。基于此，激光涂覆技术在工业领域的应用越来越受到青睐。但是在工业领域，往往需要多元材料的接合才能实现工业上的功能性应用，如模具行业选用45钢为基材，在基材上表面涂覆Co/Cr/Mo合金提高模具的耐磨度以提高使用寿命，在基材下表面涂覆纯铜材料并以此3D打印功能化的结构，以提高冷却效率。
目前激光涂覆技术一般选用连续单一参数的激光满足单元材料/合金在工业领域的应用，尤其是多元合金材料的接合，如为实现Co与Cu的接合，在中间添加镍基材料。陶瓷具有化学性质稳定、热稳定性好、绝缘性好等特点，在工业领域受到广泛的应用，但是由于陶瓷与金属铜在物理/化学特性上的迥异，是截然不同的异质材料，因此目前还没有通过激光实现陶瓷与金属有效接合的方式。
发明内容
本发明提供了一种涂覆工艺、复合材料、应用、金属基材料的表面处理方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涂覆工艺，包括：在陶瓷基材表面刻蚀微结构；在微结构的内部和边缘表面均填充金属基材料；依次采用不同参数的激光处理金属基材料表面，以使金属基材料熔融后涂覆在陶瓷基材表面。
第二方面，本发明还提供了一种复合材料，包括：陶瓷基材、采用如前所述的涂覆工艺覆盖在陶瓷基材表面的金属基材料。
第三方面，本发明还提供了一种复合材料在模具中的应用。
第四方面，本发明还提供了一种金属基材料表面金属光洁度的处理方法，包括：采用长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，以使金属基材料与陶瓷基材形成熔覆结构；采用超快激光溅射熔覆结构的表面形貌，在金属基材料表层形成微纳结构；采用长脉宽纳秒激光对金属基材料表面进行二次熔融，以使金属基材料表面恢复金属光洁度。
本发明的有益效果是，本发明的涂覆工艺、复合材料、应用、金属基材料的表面处理方法在基材表面刻蚀微结构，将金属基材料覆盖在微结构的内部和边缘表面，利用不同参数的激光相结合的方式处理金属基材料表面，可以实现金属基材料在陶瓷表面的直接涂覆，同时也解决了金属基材料熔融后表面质量差的问题，提高了涂覆材料的表面质量。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的复合材料的制备工艺流程图；
图2a是本发明的金属基材料填充微结构的示意图；
图2b是本发明的金属基材料填充微结构的实物电镜照片；
图2c是本发明的平底凹槽的结构示意图；
图2d是本发明的弧底凹槽的结构示意图；
图3a是本发明的金属基材料形成熔覆结构的示意图；
图3b是本发明的金属基材料形成熔覆结构的实物电镜照片；
图4a是本发明的金属基材料的表层形成微纳结构的示意图；
图4b是本发明的金属基材料的表层形成微纳结构的实物电镜照片；
图5a是本发明的金属基材料的表面进行二次熔融的示意图；
图5b是本发明的金属基材料的表面进行二次熔融的实物电镜照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
第一部分：阐述具体技术方案
由于陶瓷与金属铜在物理/化学特性上的迥异，是截然不同的异质材料，很难通过激光处理实现陶瓷与金属的有效接合。因此，见图1，本发明提供了一种涂覆工艺，包括：在陶瓷基材表面刻蚀微结构；在微结构的内部和边缘表面均填充金属基材料；依次采用不同参数的激光处理金属基材料表面，以使金属基材料熔融后涂覆在陶瓷基材表面。为了保证金属基材料的涂覆效果，如图2a所示，一般在微结构边缘表面的金属基材料之间不留缝隙，宏观或肉眼观察保持整体覆盖。
可选的，所述金属基材料为颗粒状，其粒径为10~100um，可选为20um、50 um、80um。所述金属基材料包括但不限于：铁基材料（316L，17-4PH）、镍基材料（In718，In625）、钛基材料（TA0，TC4）、铜基材料（如铜锡合金、铜锌合金、铜镍合金）等。
作为在基材表面刻蚀微结构的一种可选的实施方式。
见图2a，所述微结构包括规则排列的若干凹槽，其槽口宽度为金属基材料中最大颗粒直径的1-1.5倍，以保证金属基材料的粉末能填充至槽口内部；以及相邻两个凹槽的间距为槽口宽度的0.8-2倍。
具体的，在基材表面刻蚀微结构的操作步骤如下：
首先，根据金属基材料的颗粒直径分布确定加工凹槽的宽度。一般的，凹槽的槽口宽度是最大颗粒直径的1.2倍，以保证金属粉末颗粒能进入凹槽。依据加工凹槽的宽度，确定扫描间距（即相邻两个凹槽的间距），扫描间距设置为凹槽宽度的1.5倍。其次，将陶瓷基材放置在激光焦点位置，通过振镜等光学运动模组进行凹槽加工，即微结构刻蚀过程；其中激光扫描加工凹槽的实际区域面积要大于等于增材制造零件第一层的切片面积（即使用需求面积）。最后，在凹槽的深度大于等于颗粒平均直径的2倍时，停止激光扫描加工凹槽，脉冲激光通过振镜等光学元件扫描加工凹槽结构。
可选的，所述凹槽可以为缩口状的平底凹槽（如图2c所示），也可以为弧底凹槽（如图2d所示），可以保证金属基材料的涂覆量，在金属基材料熔融、凝固一体化后，又可以起到阻碍金属基材料脱出的作用。
作为不同参数激光处理的一种可选的实施方式。
依次采用不同参数的激光处理金属基材料表面包括：
见图3a、图4a、图5a，采用长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，以使金属基材料形成熔覆结构；采用超快激光溅射金属基材料的表面，以在金属基材料的表层形成微纳结构；采用长脉宽纳秒激光对金属基材料的表面进行二次熔融，以使金属基材料的表面恢复金属光洁度。选择性激光熔覆可以采用以下方式实现，即控制软件和光学元件，对需要熔融的区域形状进行选择性的激光扫描，扫描区域的材料与激光作用熔融成型。
其中所述长脉宽脉冲激光的参数为脉宽≥100ns，频率≥100KHz。见图3b，长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，由于金属基材料的颗粒较大，长脉宽脉冲激光可以使金属基材料的颗粒熔融、烧结，在金属基材料内部形成一体化的熔覆结构，同时金属基材料与陶瓷基材的结合面形成复合结构，既可以实现金属基材料的颗粒融合，也可以实现金属基材料与陶瓷基材的复合，但金属基材料的表面形貌粗糙且不均匀。
所述超快激光的参数为脉宽在600~1200fs，频率在100~300KHz。见图4b，在长脉宽脉冲激光处理后，通过超快激光溅射处理金属基材料，可以使金属基材料涂覆层表面形成微纳结构，保证金属基材料的表面平整、均匀，但会导致其表面光洁度变差。
所述长脉宽纳秒激光的参数为：脉宽≥100ns，频率≥100KHz。见图5b，在超快激光处理后，通过长脉宽纳秒激光处理金属基材料，使金属基材料的涂覆层表面进行二次熔融，恢复涂覆层表面的金属光洁度，达到工业应用的使用要求。
本实施方式的依次采用不同参数的激光处理金属基材料表面，先采用长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，可以实现金属基材料的颗粒融合，也可以实现金属基材料与陶瓷基材的复合，但金属基材料的表面形貌粗糙且不均匀，再通过超快激光溅射处理，使金属基材料涂覆层表面形成微纳结构，消除金属基材料的表面形貌粗糙和不均匀，但会导致其表面光洁度变差；最后通过长脉宽纳秒激光使金属基材料的涂覆层表面进行二次熔融，恢复涂覆层表面的金属光洁度。三种参数的激光依次处理，起到不同的作用，既可以实现金属基材料与陶瓷基材的复合，又可以保证涂覆层表面的金属光洁度，从而达到工业应用的使用要求。
进一步，见图5b，本发明提供了一种复合材料，包括：陶瓷基材、采用如前所述的涂覆工艺覆盖在陶瓷基材表面的金属基材料。
进一步，本发明还提供了一种复合材料在模具中的应用。
可选的，所述复合材料可以作为模具或3D打印机的基材使用，如模壳材料、型芯材料。
进一步，本发明还提供了一种金属基材料表面金属光洁度的处理方法，包括：采用长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，以使金属基材料与陶瓷基材形成熔覆结构；采用超快激光溅射熔覆结构的表面形貌，在金属基材料表层形成微纳结构；采用长脉宽纳秒激光对金属基材料表面进行二次熔融，以使金属基材料表面恢复金属光洁度。
第二部分：列举部分实施例
实施例1
选择粒径为10μm的铜锡合金材料，根据使用要求面积，通过激光刻蚀的方式在陶瓷基材表面刻蚀排列的若干凹槽，其槽口宽度为金属基材料中最大颗粒直径的1倍，相邻两个凹槽的间距为槽口宽度的0.8倍；通过送粉系统将金属基材料分布在凹槽的内部和槽口边缘表面；依次采用三种参数的激光对金属基材料进行处理，其中所述长脉宽脉冲激光的参数为：脉宽100ns，频率100KHz；所述超快激光的参数为：脉宽在600fs，频率在150KHz。所述长脉宽纳秒激光的参数为：脉宽100ns，频率100KHz。
实施例2
选择粒径为50μm的316L材料，根据使用要求面积，通过激光刻蚀的方式在陶瓷基材表面刻蚀排列的若干凹槽，其槽口宽度为金属基材料中最大颗粒直径的1.5倍，相邻两个凹槽的间距为槽口宽度的2倍；通过送粉系统将金属基材料分布在凹槽的内部和槽口边缘表面；依次采用三种参数的激光对金属基材料进行处理，其中所述长脉宽脉冲激光的参数为：脉宽200ns，频率200KHz；所述超快激光的参数为：脉宽在1000fs，频率在200KHz。所述长脉宽纳秒激光的参数为：脉宽150ns，频率200KHz。
实施例3
选择粒径为80μm的In718材料，根据使用要求面积，通过激光刻蚀的方式在陶瓷基材表面刻蚀排列的若干凹槽，其槽口宽度为金属基材料中最大颗粒直径的1.2倍，相邻两个凹槽的间距为槽口宽度的1.5倍；通过送粉系统将金属基材料分布在凹槽的内部和槽口边缘表面；依次采用三种参数的激光对金属基材料进行处理，其中所述长脉宽脉冲激光的参数为：脉宽300ns，频率300KHz；所述超快激光的参数为：脉宽在1200fs，频率在300KHz。所述长脉宽纳秒激光的参数为：脉宽200ns，频率150KHz。
实施例4
选择粒径为100μm的TC4材料，根据使用要求面积，通过激光刻蚀的方式在陶瓷基材表面刻蚀排列的若干凹槽，其槽口宽度为金属基材料中最大颗粒直径的1倍，相邻两个凹槽的间距为槽口宽度的2倍；通过送粉系统将金属基材料分布在凹槽的内部和槽口边缘表面；依次采用三种参数的激光对金属基材料进行处理，其中所述长脉宽脉冲激光的参数为：脉宽100ns，频率200KHz；所述超快激光的参数为：脉宽在800fs，频率在250KHz。所述长脉宽纳秒激光的参数为：脉宽200ns，频率150KHz。
综上所述，本发明的涂覆工艺、复合材料、应用、金属基材料的表面处理方法将金属基材料覆盖在微结构的内部和边缘表面，利用不同参数的激光相结合的方式处理金属基材料表面，既可以实现金属基材料在陶瓷表面的直接涂覆，同时也解决了金属基材料熔融后表面质量差的问题，提高了涂覆材料的表面质量；其中不同参数的激光相结合的方式如下：先采用长脉宽脉冲激光对金属基材料进行选择性激光熔覆，可以实现金属基材料的颗粒融合，也可以实现金属基材料与陶瓷基材的复合，但金属基材料的表面形貌粗糙且不均匀，再通过超快激光溅射处理，使金属基材料涂覆层表面形成微纳结构，消除金属基材料的表面形貌粗糙和不均匀，但会导致其表面光洁度变差；最后通过长脉宽纳秒激光使金属基材料的涂覆层表面进行二次熔融，恢复涂覆层表面的金属光洁度。三种参数的激光依次处理，起到不同的作用，既可以实现金属基材料与陶瓷基材的复合，又可以保证涂覆层表面的金属光洁度，从而达到工业应用的使用要求。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
