CN106011847B - 一种金属材料表面原位非晶化改性方法 - Google Patents

一种金属材料表面原位非晶化改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料表面改性技术领域的一种金属材料表面原位非晶化改性方法，该方法是基于金属基体材料的成分选取与之相匹配的非晶合金成分，然后根据非晶合金成分配比除金属基体主元素外所需的单质元素粉末，混合后预置于金属基体表面，采用激光直接辐照混合粉末和金属基体使其熔化混合，通过混合粉末元素与金属基体主元素的原位合金化反应和快速冷却条件生成非晶合金，从而制得非晶合金表层，能够有效降低非晶合金表层与金属基体的界面应力，增加非晶合金表层的厚度，显著提高金属材料表面性能，本发明制备的非晶合金表层不同于传统方法制备的非晶合金涂层，非晶合金表层是在金属基体表面原位非晶化反应生成的，界面结合强，性能优异。

Description

一种金属材料表面原位非晶化改性方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种金属材料表面原位非晶化改性方法。
背景技术
表面失效是关键金属零部件发生破坏的常见形式，因此，零部件的使用寿命与其表面性能密切相关。表面改性是提高金属材料表面性能的重要手段，能够提高金属材料表面抵抗载荷作用的能力，抑制表面失效的发生，延长使用寿命。激光表面处理是重要的表面改性技术之一，已广泛应用于各个领域，实现金属零部件的表面强化。
非晶合金具有长程无序而短程有序的原子排列结构，呈现出高强度、高硬度、高弹性应变极限、高耐磨耐蚀等优异的物理化学性质，使其非常适合应用于金属材料的表面改性。激光上轴又称激光非晶化，是利用高能激光束直接辐照金属表面快速加热熔化和冷却凝固而得到表面非晶层的方法，可显著提高金属或合金表层的力学、物理及化学性能，但是该方法制备的非晶层的厚度较薄，且其应用受合金成分的限制。非晶涂层制备是另一种金属表面非晶化技术，常用的方法有热喷涂，化学镀、磁控溅射和激光熔覆等。前三种方法的工艺过程较复杂，制备的非晶涂层较薄，其应用场合受到严重限制。激光熔覆是利用高能激光束辐照熔覆材料与基体表层以极快的加热速度加热形成熔池，然后通过熔覆材料熔体的自激冷快速凝固制备非晶涂层，并与基体表层形成冶金结合。该方法虽然可制得较厚的非晶涂层，但其较难获得完全非晶的涂层，且涂层与基体的界面结合难以控制。
针对现有方法存在的问题，本发明从制备工艺出发，提出一种金属材料表面原位非晶化改性方法。与本发明最接近的技术是激光上釉和激光熔覆非晶涂层，但在制备工艺和原理上本发明与这两种方法都是本质不同的，而且本发明能够有效克服这两种方法的缺点。本发明是对现有技术进行的创造性发明，工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以制备出高性能的非晶合金表层，延长关键零部件的使用寿命，满足实际应用的需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种金属材料表面原位非晶化改性方法，该方法是基于金属基体材料的成分选取与之相匹配的非晶合金成分，然后根据非晶合金成分配比除金属基体主元素外所需的单质元素粉末，混合后预置于金属基体表面，采用激光直接辐照混合粉末和金属基体使其熔化混合，通过混合粉末元素与金属基体主元素的原位合金化反应和快速冷却条件生成非晶合金，从而制得非晶合金表层，显著提高金属材料表面性能，推动其工程应用。
本发明的技术方案是：一种金属材料表面原位非晶化改性方法，基于金属基体材料与非晶合金成分的匹配体系，采用激光原位非晶化方法在金属基体表面制备非晶合金表层，包括以下步骤：
S1、将金属材料表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
S2、选择金属材料与非晶合金成分的匹配体系，并根据非晶合金成分配比除金属材料主元素外的单质元素粉末；
S3、将配好的元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于金属材料表面；
S5、采用激光扫描预置混合粉末的金属材料，使混合粉末与金属材料表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
优选地，所述步骤S1的金属材料为铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镍及镍合金、或者钢及铸铁中的任意一种。
优选地，所述步骤S2的金属材料与非晶合金成分的匹配体系为铝及铝合金与铝基非晶合金的匹配体系、镁及镁合金与镁基非晶合金的匹配体系、铜及铜合金与铜基非晶合金的匹配体系、钛及钛合金与钛基非晶合金的匹配体系、镍及镍合金与镍基非晶合金的匹配体系、或者钢及铸铁与铁基非晶合金的匹配体系中的任意一种。
优选地，所述步骤S2的单质元素粉末的平均颗粒直径为10nm～100μm。
优选地，所述步骤S3的混合粉末是由与金属材料相匹配的非晶合金包含的除金属材料主元素外的其他元素的单质元素粉末构成。
优选地，所述步骤S5中的激光采用连续CO2或Nd:YAG激光器，最大功率分别为5KW和2KW。
进一步的，采用激光器的激光功率为0.5～3kW，扫描速度为10～100mm/s，搭接率为20～80％，保护气体为氩气。
本发明的有益效果：
(1)本发明所选的非晶合金成分与金属基体材料相匹配，可有效降低非晶合金表层与金属基体的界面应力。
(2)本发明的激光原位非晶化是通过预置混合粉末与金属基体的原位合金化反应生成非晶合金表层，能够有效增加非晶合金表层的厚度，满足实际应用需求，进一步拓展应用范围。
(3)本发明制备的非晶合金表层不同于传统方法制备的非晶合金涂层，非晶合金表层是在金属基体表面原位非晶化反应生成的，界面结合强，性能优异；而非晶合金涂层是在金属基本表面移植一层涂层，涉及涂层与基体界面结合、界面稀释率等复杂问题，界面难以控制，不利于非晶合金自身性能的发挥。
(4)激光原位非晶化方法适应范围广，工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
S1、将45钢表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
S2、选择45钢与Fe42.5Cr16Mo16.5B9C16非晶合金的匹配体系，并根据Fe42.5Cr16Mo16.5B9C16非晶合金成分配比除45钢主元素Fe外的Cr、Mo、B和C单质元素粉末，粉末的平均颗粒直径分别为30μm、100μm、15μm和10μm；
S3、将配好的Cr、Mo、B和C单质元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于45钢表面；
S5、采用连续CO2激光扫描预置混合粉末的45钢，激光功率为1.5kW，扫描速度为50mm/s，搭接率为20％，保护气体为氩气，使混合粉末与45钢表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
采用显微硬度计测定原位非晶化改性前后样品的硬度，结果表明，原位非晶化后样品的显微硬度约是金属基体材料的2.2倍，可见，采用本发明处理后金属材料的硬度得到显著提高。因此采用本发明可以原位制备出高性能的非晶表层。
实施例2：
S1、将AZ91D镁合金表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
S2、选择AZ91D镁合金与Mg86.5Ni7.5Y6非晶合金的匹配体系，并根据Mg86.5Ni7.5Y6非晶合金成分配比除AZ91D镁合金主元素Mg外的Ni和Y单质元素粉末，粉末的平均颗粒直径分别为15μm和75μm；
S3、将配好的Ni和Y单质元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于AZ91D镁合金表面；
S5、采用连续Nd:YAG激光器扫描预置混合粉末的AZ91D镁合金，激光功率为0.5kW，扫描速度为10mm/s，搭接率为30％，保护气体为氩气，使混合粉末与AZ91D镁合金表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
采用显微硬度计测定原位非晶化改性前后样品的硬度，结果表明，原位非晶化后样品的显微硬度约是金属基体材料的2.5倍，可见，采用本发明处理后金属材料的硬度得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的原位非晶表层。
实施例3：
S1、将Monel400镍合金表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
S2、选择Monel400镍合金与Ni58Ti15Zr18Si3Sn2Nb4非晶合金的匹配体系，并根据Ni58Ti15Zr18Si3Sn2Nb4非晶合金成分配比除Monel400镍合金主元素Ni外的Ti、Zr、Si、Sn和Nb单质元素粉末，粉末的平均颗粒直径分别为30μm、65μm、50nm、10μm和48μm；
S3、将配好的Ti、Zr、Si、Sn和Nb单质元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于Monel400镍合金表面；
S5、采用连续CO2激光扫描预置混合粉末的Monel400镍合金，激光功率为3kW，扫描速度为100mm/s，搭接率为50％，保护气体为氩气，使混合粉末与Monel400镍合金表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
采用显微硬度计测定原位非晶化改性前后样品的硬度，结果表明，原位非晶化后样品的显微硬度约是金属基体材料的5.1倍，可见，采用本发明处理后金属材料的硬度得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的原位非晶表层。
实施例4：
S1、将H68黄铜表面用砂纸打磨抛光，并用酒精清洗表面；
S2、选择H68黄铜与Cu60Zr30Al10非晶合金的匹配体系，并根据Cu60Zr30Al10非晶合金成分配比除H68黄铜主元素Cu外的Zr和Al单质元素粉末，粉末的平均颗粒直径分别为50μm和10nm；
S3、将配好的Zr和Al单质元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于H68黄铜表面；
S5、采用连续Nd:YAG激光器扫描预置混合粉末的H68黄铜，激光功率为1kW，扫描速度为30mm/s，搭接率为80％，保护气体为氩气，使混合粉末与H68黄铜表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
采用显微硬度计测定原位非晶化改性前后样品的硬度，结果表明，原位非晶化后样品的显微硬度约是金属基体材料的3倍，可见，采用本发明处理后金属材料的硬度得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能的原位非晶表层。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属材料表面原位非晶化改性方法，其特征在于，基于金属基体材料与非晶合金成分的匹配体系，采用激光原位非晶化方法在金属基体表面制备非晶合金表层，包括以下步骤：
S1、将金属材料表面打磨抛光，并清洗表面，所述金属材料为铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镍及镍合金、或者钢及铸铁中的任意一种；
S2、选择金属材料与非晶合金成分的匹配体系，并根据非晶合金成分配比除金属材料主元素外的单质元素粉末，所述金属材料与非晶合金成分的匹配体系为铝及铝合金与铝基非晶合金的匹配体系、镁及镁合金与镁基非晶合金的匹配体系、铜及铜合金与铜基非晶合金的匹配体系、钛及钛合金与钛基非晶合金的匹配体系、镍及镍合金与镍基非晶合金的匹配体系、或者钢及铸铁与铁基非晶合金的匹配体系中的任意一种；
S3、将配好的元素粉末进行机械混合，制得均匀混合粉末；
S4、将混合粉末预置于金属材料表面；
S5、采用激光扫描预置混合粉末的金属材料，激光功率为0.5～3kW，扫描速度为10～100mm/s，搭接率为20～80％，使混合粉末与金属材料表层熔化混合并发生非晶合金化反应，制得非晶合金表层。
2.根据权利要求1所述的金属材料表面原位非晶化改性方法，其特征在于，所述步骤S2的单质元素粉末的平均颗粒直径为10nm～100μm。
3.根据权利要求1所述的金属材料表面原位非晶化改性方法，其特征在于，所述步骤S3的混合粉末是由与金属材料相匹配的非晶合金包含的除金属材料主元素外的单质元素粉末构成。
4.根据权利要求1所述的金属材料表面原位非晶化改性方法，其特征在于，所述步骤S5中的激光采用连续CO2或Nd:YAG激光器。
5.根据权利要求4所述的金属材料表面原位非晶化改性方法，其特征在于，采用激光器的保护气体为氩气。
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