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2023-06-19
新型PROTAL预处理工艺的优化
【摘要】：为了克服传统预处理工艺存在的上述缺点，人们正在研究采用激光对基体表面进行预处理——PROTAL预处理工艺。
为了进一步提高涂层的性能，对传统的预处理工艺进行改进是途径之一。如前所述，常用的传统预处理方法包含两步：首先是表面净化处理，多采用溶解性试剂去除基体表面的污渍和油渍，但在此过程中，由于试剂和容器的循环使用很容易造成表面污染；其次是喷砂粗化处理，虽然可以增强涂层与基体的结合，但在处理过程中容易引入残余微粒和残渣，从而会破坏涂层的性能，不但减弱了涂层的黏着力，减小了基体的抗疲劳性能，而且引入了压应力，如果基体很薄时可能使基体产生变形。此外，在设计喷涂设备时，并没有考虑试样从喷砂粗化处理到喷涂工艺开始之间的间隔时间。如果停留时间较长，就足以在其表面形成氧化层，虽然厚度不大，但却会对涂层的结合强度产生重要影响，特别是对易氧化金属及其合金，如Ti、Al、Mo等极易形成氧化物的基体材料，应严格控制间隔时间。为了克服传统预处理工艺存在的上述缺点，人们正在研究采用激光对基体表面进行预处理——PROTAL预处理工艺。
1.PROTAL预处理工艺基本原理
该工艺过程是将激光头与喷枪以特殊的几何角度连接起来，使喷涂过程紧跟在激光过程之后或者将两个过程重叠在一起进行的工艺，即通过一次操作可同时完成预处理工艺与喷涂工艺的过程。采用的激光可以是YAG激光，其脉冲宽度为10ns，频率为120Hz，为保证激光能够有效地清洁金属基体表面，可采用两个激光光源，从而得到一个矩形发射源，获得一个均匀的良好的照射区域。PROTAL预处理工艺所涉及的工艺参数包括：激光能量密度、激光分布强度和光束形状。激光在固定位置发射一次所能覆盖区域的形状决定了激光处理的效率，具有方形和矩形形状的激光束均能获得较高的处理效率。
2.PROTAL预处理工艺的优点
采用PROTAL预处理工艺替代传统的喷砂预处理工艺，不仅可以去除基体表面的污染层和氧化物层，提高涂层与基体的结合强度，而且持续的激光照射可以避免涂层被灰尘和冷凝气体的再污染及氧化层的再形成，这种同步的激光处理过程可以使熔融液滴撞击无氧表面，从而可能产生化学结合。
3.PROTAL工艺的应用与发展
在Al基体上分别采用传统方法和PROTAL工艺进行预处理后，再喷涂Cu粉末，金相观察表明，采用PROTAL工艺处理过的涂层界面比传统工艺得到的界面更加清晰、光滑，涂层界面强度得到显著提高。而激光的能量密度和激光头与基体的相对速度对涂层的性能都有一定的影响。
最初的PROTAL工艺设备只配备一个可获得均匀能量的激光头，并且只有当等离子射流在试样表面的喷涂直径与激光光斑直径近似时，涂层才能获得好的性能。而对于目前获得广泛使用的高速火焰喷涂和电弧喷涂工艺，当喷涂大尺寸表面时，激光束无法完全覆盖喷涂束斑，部分粉末颗粒被喷涂在未经激光处理的工件表面，从而导致涂层与基体不能产生牢固结合。为了克服这一不足，又设计出一种带有两个激光头的设备，从而增加了一次扫描可处理的表面面积。研究结果表明，在铝合金基体上喷涂Ni-Al时，采用两个激光头进行PRO- TAL预处理比采用一个激光头进行处理时得到的涂层界面强度要高。
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