CN102936724A

CN102936724A - 一种铝合金表面镍基合金层强化方法

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Publication number: CN102936724A
Application number: CN2012104793380A
Authority: CN
Inventors: 王成磊; 高原; 徐晋勇; 张光耀; 蔡航伟; 马志康
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-11-23
Also published as: CN102936724B

Abstract

本发明公开了一种铝合金表面镍基合金层的强化方法，该方法将一定比例的稀土La和Ce掺入镍基合金粉末中，通过激光表面熔覆技术，使铝合金表面获得呈冶金结合的高硬度和高耐磨耐腐蚀性的镍基合金层，硬度可达1350HV，耐磨性和耐腐蚀性能，较现有技术分别提高一倍。这对拓展铝合金的应用范围，扩大铝合金在尖端领域的应用将有重要作用。

Description

一种铝合金表面镍基合金层强化方法

技术领域

本发明涉及对铝合金表面进行改性的技术方法，尤其是一种加入稀土元素的铝合金表面镍基合金层的强化方法。

背景技术

众所周知，铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高、导热导电性好、耐蚀性及成型性好等诸多优异性能，因此在航空航天、汽车、家电、先进制造、电力电气等众多领域的应用十分广泛，但就铝合金的性质而言也存在硬度相对较低、摩擦系数较高及由于耐磨性差、接触面难以润滑所导致容易磨损划伤的缺点，这在一定程度上限制了铝合金的使用范围。近年来，用铝合金表面陶瓷化技术来改进铝合金表面性质倍受人们关注，该技术能有效增强铝合金表面的耐磨性能和抵抗损伤划伤的能力，可不同程度地改善铝合金的表面的性能状况。该技术目前有多种方法，常用的有稀土转化膜、等离子微弧氧化、离子注入、气相沉积、电镀、阳极氧化、激光表面强化等。前几种方法虽能改善铝合金表面的耐腐蚀和耐磨性能，但所获得的强化层较薄(仅有几百个微米)，其强化层与基体之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，因此耐磨性仍不高，还容易产生开裂、脱落等情况。而使用较多的阳极氧化法虽然工艺简单，但在铝基复合材料上不能形成连续的氧化膜，对基体不能起到有效的防腐作用，且生产中所产生的铬酸盐毒性很大，对环境容易产生严重污染并危害人们的健康。

在上述的几种强化方法中，激光表面强化法是使铝合金获得较高的表面硬度和优良的耐腐蚀耐磨损性能的有效方法之一，且该方法还具有高效、无污染的特点，是目前有较好应用前景的方法之一，但在现有技术中，铝合金表面激光处理法主要是在铝合金表面熔覆铜基、镍基及铁基合金或复合材料，这虽然可大幅提高铝合金表面耐磨耐腐蚀性能，但在一些重要和关键领域，这种铝合金熔覆层的性质，特别是它的硬度和耐磨性能仍不能满足工艺和使用要求。为进一步提高这种铝合金表面熔覆涂层的性能，一些科研单位和部门采取在熔覆涂层中加入某些稀土元素使涂覆层合金化的做法，试验表明，其对提高铝合金的表面硬度及表面耐磨耐蚀性能有很显著的效果，并正成为增强铝合金表面激光熔覆涂层性能的重要方法之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种铝合金表面镍基合金层的强化方法，该方法将一定比例的稀土La和Ce掺入镍基合金粉末中，利用这些稀土元素的特殊性质来提高镍基合金的性能，并通过激光表面熔覆技术，使铝合金表面获得呈冶金结合的高硬度和高耐磨耐腐蚀性的镍基合金层。

为达到上述目的，本发明含有稀土元素的铝合金表面镍基合金层的强化方法包括以下几个步骤：

1、先对铝合金基体表面进行处理，用机械和化学混合方法消除铝合金基体表面的氧化膜，其工艺过程是用样品金相砂纸对铝合金表面进行粗磨→表面喷砂打磨→超声波清洗→化学试剂清洗→吹干，其中化学试剂清洗是将铝合金基体放入NaOH溶液中浸泡一定时间。

2、配置含有稀土La、Ce的镍基合金熔覆材料：该镍基合金熔覆材料配比按重量百分比计量，其中掺入稀土La、Ce为0.5%～6.5%、其余为镍基合金的其它组成材料粉末；将上述熔覆材料粉末充分混合，经球磨机研磨后加入酒精粘结剂，搅拌均匀成糊状，然后用刷子均匀涂覆在铝合金基体表面，并使涂覆层达到设定厚度，经自然晾干后，再进行烘干处理。

3、把粘结了上述熔覆层材料的铝合金基体装入氩气保护反应容器内，并将保护反应容器装在可作三维运动的数控加工机床的工作台上，随后向保护反应容器注入99.999%高纯度氩气，并持续一定时间，使之尽可能排除反应容器内的空气。

4、按照预定的激光熔覆工艺参数编制好数控程序，启动数控机床的工作程序，同时启动CO₂激光器对铝合金熔覆层进行激光熔覆处理，让激光束按照预定的加工程序扫描铝合金基体表面上的熔覆层，使其多道扫描的搭接率为25%至30%。通过激光束的高温熔覆，使铝合金表面的上述涂层材料与铝合金基体呈冶金结合。

在本发明中，含稀土La、Ce的镍基合金熔覆材料组成为：稀土La和Ce 0.5%～6.5%、C：0.6%～1.0%、Si：2.0%～4.0%、W：3.0%～8.0%、Cr：10.0%～20.0%、Fe<15.0%，其余为Ni，杂质<1.0%。

激光熔覆的工艺参数为：工作气体为CO₂，N₂，He（纯度99.999%）的混合体，比例为1～5：10～20：20～40，其中CO₂气体量为0.4KPa～0.6 KPa；激光功率2KW～6KW；光斑直径1mm～6mm；激光扫描速率20～200mm/min。

本发明的优点是：该方法采用激光表面熔覆技术，将一定比例的稀土La和Ce掺入镍基合金粉末中，能使铝合金表面获得呈冶金结合的高硬度和高耐磨耐腐蚀性的镍基合金层，硬度可达1350HV，耐磨性和耐腐蚀性能，较现有技术分别提高一倍。这对拓展铝合金的应用范围，扩大铝合金在尖端领域的应用将有重要作用。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

按照本发明含有稀土La和Ce的铝合金表面镍基合金层的强化方法，其第一个实施方式有如下步骤：首先对铝合金基体进行表面处理，处理工序采取机械和化学混合方法来消除铝合金表面的氧化膜，其工艺流程是使用样品金相砂纸粗磨→表面喷砂打磨→超声波清洗→化学试剂清洗→吹干，其中化学试剂清洗是将铝合金基体放入70℃的NaOH溶液中浸泡3分钟再取出吹干。

配制含有稀土La、Ce的铝合金表面镍基合金熔覆材料，该镍基合金熔覆材料配比按重量百分比计量，其组成分别为：稀土La、Ce占3.5%、C0.7%～0.8%、Si3.0%～3.5%、W3.5%～6.5%、Cr12%～16%、Fe<15%，其余为Ni，杂质<1%。将上述粉末混合，装入球磨机球磨12小时后取出加入酒精粘结剂，搅拌均匀成糊状，然后用刷子均匀涂覆在铝合金基体表面，涂覆层的厚度约为2 mm，自然晾干后，再进行120 ℃、4 h的烘干处理。

把粘结了上述熔覆材料的铝合金基体装入氩气保护反应容器内，并将保护反应容器装上可作三维运动的数控加工机床的工作台上，随后向保护反应容器注入纯度为99.999%的高纯度氩气，并持续一定时间，使反应容器内的空气尽可能被排除，防止氧化发生。

按照预定的激光熔覆参数编制好数控程序，然后启动数控机床和与之配套的GS-TFL-6000型横流CO₂激光器，让激光束按照预定的加工程序扫描铝合金基体表面的熔覆材料层进行激光熔覆处理，这当中的多道扫描的搭接率为30%。

本实施方式中，激光熔覆的工艺参数为：工作气体CO₂，N₂，He（纯度99.999%）的比例为1：10：20，其中CO₂气体量为0.4KPa；激光功率4.0KW；光斑直径2mm；扫描速率60mm/min；

采用上述实施方式后，含稀土La和Ce的铝合金表面镍基合金熔覆层硬度达1200HV，层深约1.5mm，而现有技术中的铝合金表面镍基合金熔覆层硬度为960HV；并且其耐磨性提高了近1倍，耐腐蚀性提高了约70%。

本发明的第二个实施方式：先对铝合金基体进行表面处理，处理工序仍采取机械和化学混合方法来消除铝合金表面的氧化膜，其工艺流程是使用样品金相砂纸粗磨→表面喷砂打磨→超声波清洗→化学试剂清洗→吹干，其中化学试剂清洗是将铝合金基体放入65℃的NaOH溶液中浸泡5分钟后再取出吹干。

配制含有稀土La、Ce的铝合金镍基合金层熔覆材料，该镍基合金熔覆材料配方按重量百分比计量，其组成分别为：稀土La、Ce为2.5%、C0.7%～0.8%、Si3.0%～3.5%、W3.5%～6.5%、Cr12%～16%、Fe<15%，其余为Ni，杂质<1%。将上述粉末混合，装入球磨机球磨15小时后取出加入酒精粘结剂，搅拌均匀成糊状，然后用刷子均匀涂覆在铝合金基体表面，涂覆层的厚度约为1.5 mm，自然晾干后，再进行120 ℃、4 h的烘干处理。

把粘结了上述熔覆材料的铝合金基体装入氩气保护反应容器内，并将保护反应容器装上可作三维运动的数控加工机床的工作台上，随后向保护反应容器注入纯度为99.999%高纯度氩气，并持续一定时间，以使反应容器内的空气尽可能被排除。

按照预定的激光熔覆参数编制好数控程序，启动数控机床和与之配套的GS-TFL-6000型横流CO₂激光器，让激光束按照预定的加工程序扫描铝合金基体表面上的熔覆材料进行激光熔覆处理，这当中的多道扫描的搭接率为25%。

　本实施方式中，激光熔覆的工艺参数为：工作气体为CO₂，N₂，He（纯度99.999%），比例为1：10：20，其中CO₂气体量为0.4KPa；激光功率5.2KW；光斑直径3mm；扫描速率70mm/min。

采用该实施方式后，含稀土La和Ce的铝合金表面镍基合金熔覆层硬度可达1350HV，层深约1mm，而现有技术不含稀土La和Ce的铝合金镍基合金熔覆层硬度为1020HV，且耐磨性和耐腐蚀性分别提高了约1倍。

Claims

1.一种铝合金表面镍基合金层强化方法，其特征在于：该方法是将稀土La和Ce掺入镍基合金熔覆材料中，采用激光表面熔覆技术，使铝合金表面获得呈冶金结合的高硬度和高耐磨耐腐蚀性的镍基合金层。

2.权利要求1所述一种铝合金表面镍基合金层强化方法，其特征在于：该方法步骤包括：

（1）先对铝合金基体表面进行处理，处理工序采用机械和化学混合方法消除铝合金基体表面的氧化膜，工艺过程是用样品金相砂纸对铝合金表面进行粗磨→表面喷砂打磨→超声波清洗→化学试剂清洗→吹干，其中化学试剂清洗是将铝合金基体放入NaOH溶液中浸泡一定时间；

（2）配置含有稀土La、Ce的镍基合金熔覆材料：该镍基合金熔覆材料配比按重量百分比计量，其中稀土La、Ce为0.5%～6.5%，其余为镍基合金的其它组成材料粉末；将上述熔覆材料粉末充分混合，经球磨机研磨后加入酒精粘结剂，搅拌均匀成糊状，然后用刷子均匀涂覆在铝合金基体表面，并使涂覆层达到必要的厚度，经自然晾干后，再进行烘干处理；

（3）把粘结了上述熔覆材料的铝合金基体装入氩气保护反应容器内，并将保护反应容器装在可作三维运动的数控加工机床的工作台上，随后向保护反应容器注入99.999%高纯度氩气，并持续一定时间，使之尽可能排除反应容器内的空气；

（4）按照预定的激光熔覆工艺参数编制好数控程序，启动数控机床的工作程序，同时启动CO₂激光器对铝合金熔覆层进行激光熔覆处理，让激光束按照预定的加工程序扫描铝合金基体表面上的熔覆层，使其多道扫描的搭接率达25%至30%；通过激光束的高温熔覆，使上述熔覆层材料与铝合金基体呈冶金结合。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金表面镍基合金层强化方法，其特征在于：所述含稀土La、Ce的镍基合金熔覆材料的组成为：稀土La和Ce： 0.5%～6.5%、C：0.6%～1.0%、Si：2.0%～4.0%、W：3.0%～8.0%、Cr：10.0%～20.0%、Fe<15.0%，其余为Ni，杂质<1.0%。

4.根据权利要求1或2所述的铝合金表面镍基合金层强化方法，其特征在于：所述激光熔覆的工艺参数为：工作气体为纯度99.999%的CO₂，N₂，He的混合体，比例为1～5：10～20：20～40，其中CO₂气体量为0.4KPa～0.6 KPa；激光功率2KW～6KW；光斑直径1mm～6mm；激光扫描速率20～200mm/min。