CN107761094A - 一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法，其特征是，包括如下步骤：1）制备铝合金基板；2）熔覆粉末准备；3）制备待熔覆试样；4）激光熔覆前准备；5）激光熔覆；6）振动蠕变时效处理。这种方法可以克服铝合金表面激光熔覆层常出现的气孔、裂纹、崩损脱落和组织不均匀缺陷，能提高铝合金表面熔覆层的冶金结合力及耐磨、耐蚀、耐冲击、抗氧化性性能。

Description

一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的 方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术，具体是一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法。
背景技术
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的材料之一，铝合金具有密度小、易加工、热膨胀系数低、热导率高、比刚度和比强度高等诸多优异性能，在日常生产和生活中得到广泛应用。然而，铝合金本身也存在一定的缺陷和不足，在有氯离子及碱性介质的环境中，易发生点腐蚀、缝隙腐蚀等形式的破坏；同时铝合金硬度较低、摩擦系数高，耐热性能有限，容易拉伤且难以润滑导致其耐磨性较差，这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。
为了改善铝合金的性能，在努力提高铝合金强、韧性的同时，人们发明了很多表面处理技术来弥补铝合金的一些性能缺陷，这些方法包括：稀土转化膜、微弧氧化、离子注入、气相沉积、电镀、阳极氧化、激光表面强化、表面陶瓷化等等。但是这些技术方法虽能有效的改善铝合金的表面防腐、耐热或耐磨性能，但获得的改性层较薄，通常仅有几个到几百个微米，其改性层与基体之间主要属于机械结合界面或扩散结合界面，多数结合强度不高，容易产生开裂、脱落，因而其防腐与耐磨性能都相当有限，采用激光熔覆可以克服上述缺点。激光熔覆层厚度较大，晶粒细小、组织致密，性能优良，具有较高的应用和研究价值。
裂纹是激光熔覆过程中最常见、破坏性最大的一种冶金缺陷，国内外很多研究者对其形成机理展开了深入研究，并提出了许多解决方法，但是都没办法消除激光熔覆的裂纹，制约了激光熔覆技术的应用。
因熔覆过程快速加热、快速冷却的特性，造成凝固后熔覆层和基体存在较大的应力，这是造成熔覆开裂的一个主要原因。因此，如何消除熔覆层和基体的应力是解决开裂的主要手段和方法。超声振动不仅具有操作设备简单、无污染、能量消耗小等诸多优点，且能明显改善金属凝固组织、减少内部气孔夹杂和残余应力、提高强度、增强塑性等，故而可以大大改善熔覆层组织，有利于消除熔覆层应力，减少并消除开裂。近年来一些研究者发现采用超声振动辅助激光熔覆可以很好的抑制熔覆层裂纹，并在此基础上取得了一定的研究成果。另外，振动蠕变时效成形技术是近年来为更好的应用蠕变时效成形而发展起来的一项新技术，即将振动引入到金属的蠕变时效成形中，可进一步消除残余应力，减少应力开裂。
熔覆材料与基体材料的热膨胀系数差别较大也是熔覆层开裂的另一个重要原因，降低熔覆材料与基体材料的热膨胀系数有利于减少开裂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法。这种方法可以克服铝合金表面激光熔覆层常出现的气孔、裂纹、崩损脱落和组织不均匀缺陷，能提高铝合金表面熔覆层的冶金结合力及耐磨、耐蚀、耐冲击、抗氧化性性能。
实现本发明目的的技术方案是：
一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法，包括如下步骤：
1）制备铝合金基板：在熔覆粉末压制前5分钟后内将铝合金基板的一个表面用粒度号200-300的粗砂纸打磨粗糙、表面氧化皮去除，再用丙酮清洗干净；
2）熔覆粉末准备：熔覆粉末包括自下而上顺序叠置的过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末，所述过渡层粉末为60%Al粉、35%Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm，过渡层粉末与铝合金基板接触；
所述中间层粉末为95% Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm；
所述硬化层粉末为75%Ni60自熔合金粉末、5%稀土氧化物和20%Al2O3混合物，混合物的厚度0.2 mm-0.3 mm；
上述粉末纯度≧99. 9 %，粉末粒度均为20μm-100μm，Ni60的化学成分即质量分数、百分比为：C0.7-1.0，Si3.0-3.5，Fe4.0-5.0，B3.5-4.5，Cr15-20，Ni65-75；
上述过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末分别经过球磨机充分混合24小时以后放入70℃保温箱中保温备用；
3）制备待熔覆试样：采用粉末预置法按照自下而上顺序将过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末平铺在铝合金基板上，然后将铝合金基板与平铺在铝合金基板上的粉末作为整体一起放入用丙酮清洗干净的压片模具中用油压机压实，熔覆粉末成片状，片状熔覆粉末压片上的平均压力大于150Mpa，再将熔覆粉末的压片与铝合金基板整体取出作为待熔覆试样，放入70℃的干燥箱中备用；
4）激光熔覆前准备：将超声振动板安装在激光熔覆设备上，再将步骤3）得到待熔覆试样固定在超声振动板上，并将待熔覆试样置于氩气保护反应容器内，氩气保护反应容器内通有氩气，在氩气保护下进行熔覆可防止熔覆过程氧化；
5）激光熔覆：采用激光熔覆设备对待熔覆试样进行激光熔覆时先按照超声振动参数进行超声振动，然后再调整好激光熔覆参数进行激光熔覆，得到熔覆试样；
6）振动蠕变时效处理：对熔覆试样按照振动蠕变时效工艺参数进行振动蠕变时效处理即可得到成品。
步骤3）中所述压片模具为自带加热器压片模具，压片模具的温度维持在50℃-70℃。
步骤5）中所述激光熔覆参数为：激光功率：4kW-5kW；激光光斑直径：5mm-6mm；激光扫描速度：600 mm/min-800mm/min；搭接率：15%-25%。
步骤5）中所述超声振动参数为：超声振动频率为25000Hz以上；超声振动振幅为20μm -50μm。
步骤6）中所述振动蠕变时效工艺参数为：振动频率为4000Hz-8000Hz；激振力为30kN-50kN；振动时间：3h-4h；时效温度：140℃-180℃；时效时间：12h-20h。
这种方法通过实施熔覆合金材料成份梯度设计结合熔覆过程超声振动、熔覆后振动蠕变时效复合工艺，获得基体与熔覆层之间梯度可控的过渡界面，过渡界面上的成份、组织及性能呈可控制的梯度分布，界面应力得到有效松驰，用于消除激光熔覆的裂纹，将具有广阔的发展前景。
这种方法采用铝及铝合金作为基体材料，利用超声振动辅助激光熔覆和振动蠕变时效的复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法，是一种多学科交叉的全新工艺技术，使熔覆层与基体材料之间实现良好的冶金结合，大大降低了熔覆层金属组织缺陷，提高了材料的结合力及耐磨、耐蚀、抗氧化性性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法，包括如下步骤：
1）制备铝合金基板：在熔覆粉末压制前5分钟后内将铝合金基板的一个表面用粒度号200-300的粗砂纸打磨粗糙、表面氧化皮去除，再用丙酮清洗干净，本例中铝合金基板试样基材为6061铝合金，尺寸120mm×80mm×25mm；
2）熔覆粉末准备：熔覆粉末包括自下而上顺序叠置的过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末，所述过渡层粉末为60%Al粉、35%Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm，过渡层粉末与铝合金基板接触；
所述中间层粉末为95% Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm；
所述硬化层粉末为75%Ni60自熔合金粉末、5%稀土氧化物和20%Al2O3混合物，混合物的厚度0.2 mm-0.3 mm；
上述粉末纯度≧99. 9 %，粉末粒度均为20μm-100μm，Ni60的化学成分即质量分数、百分比为：C0.7-1.0，Si3.0-3.5，Fe4.0-5.0，B3.5-4.5，Cr15-20，Ni65-75；
上述过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末分别经过球磨机充分混合24小时以后放入70℃保温箱中保温备用；
3）制备待熔覆试样：采用粉末预置法按照自下而上顺序将过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末平铺在铝合金基板上，然后将铝合金基板与平铺在铝合金基板上的粉末作为整体一起放入用丙酮清洗干净的压片模具中用油压机压实，熔覆粉末成片状，片状熔覆粉末压片上的平均压力大于150Mpa，再将熔覆粉末的压片与铝合金基板整体取出作为待熔覆试样，放入70℃的干燥箱中备用；
4）激光熔覆前准备：将超声振动板安装在激光熔覆设备上，再将步骤3）得到待熔覆试样固定在超声振动板上，并将待熔覆试样置于氩气保护反应容器内，氩气保护反应容器内通有氩气，在氩气保护下进行熔覆可防止熔覆过程氧化，本例中激光熔覆设备为数控激光熔覆设备；
5）激光熔覆：采用激光熔覆设备对待熔覆试样进行激光熔覆时先按照超声振动参数进行超声振动，然后再调整好激光熔覆参数进行激光熔覆，得到熔覆试样；
6）振动蠕变时效处理：对熔覆试样按照振动蠕变时效工艺参数进行振动蠕变时效处理即可得到成品。
步骤3）中所述压片模具为自带加热器压片模具，压片模具的温度维持在50℃-70℃，本例为65℃。
步骤5）中所述激光熔覆参数为：激光功率：4kW-5kW；激光光斑直径：5mm-6mm；激光扫描速度：600mm/min-800mm/min；搭接率：15%-25%，本例中激光熔覆参数为：激光功率：4.5kW、激光光斑直径：5.5mm；激光扫描速度：750mm/min；搭接率：20%。
步骤5）中所述超声振动参数为：超声振动频率为25000Hz以上；超声振动振幅为20μm -50μm。
步骤6）中所述振动蠕变时效工艺参数为：振动频率为4000Hz -8000Hz；激振力为30kN-50kN；振动时间：3h-4h；时效温度：140℃-180℃；时效时间：12h-20h，本例中振动蠕变时效工艺参数选为频率：6000Hz；激振力：30kN；振动时间：3h；时效温度：150℃；时效时间：15h。
经测试，采用这种方法，经复合处理的激光熔覆层表面硬度可达1600HV，熔覆层厚度约0.8mm，与铝合金基体呈冶金结合，微观组织无气孔、夹杂、裂纹等缺陷，且熔覆层的耐磨性和耐腐蚀性比单纯进行激光熔覆获得的熔覆层分别提高了8.2和12.5倍。

Claims (5)

1.一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法，其特征是，包括如下步骤：
1）制备铝合金基板：在熔覆粉末压制前5分钟后内将铝合金基板的一个表面用粒度号200-300的粗砂纸打磨粗糙、表面氧化皮去除，再用丙酮清洗干净；
2）熔覆粉末准备：熔覆粉末包括自下而上顺序叠置的过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末，所述过渡层粉末为60%Al粉、35%Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm；
所述中间层粉末为95% Ni60自熔合金粉末和5%稀土氧化物的混合物，混合物的厚度为0.2 mm-0.3 mm；
所述硬化层粉末为75%Ni60自熔合金粉末、5%稀土氧化物和20%Al2O3混合物，混合物的厚度0.2 mm-0.3 mm；
上述粉末纯度≧99. 9 %，粉末粒度均为20μm-100μm，Ni60的化学成分即质量分数、百分比为：C0.7-1.0，Si3.0-3.5，Fe4.0-5.0，B3.5-4.5，Cr15-20，Ni65-75；
上述过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末分别经过球磨机充分混合24小时以后放入70℃保温箱中保温备用；
3）制备待熔覆试样：采用粉末预置法按照自下而上顺序将过渡层粉末、中间层粉末和硬化层粉末平铺在铝合金基板上，然后将铝合金基板与平铺在铝合金基板上的粉末作为整体一起放入用丙酮清洗干净的压片模具中用油压机压实，熔覆粉末成片状，片状熔覆粉末压片上的平均压力大于150Mpa，再将熔覆粉末的压片与铝合金基板整体取出作为待熔覆试样，放入70℃的干燥箱中备用；
4）激光熔覆前准备：将超声振动板安装在激光熔覆设备上，再将步骤3）得到待熔覆试样固定在超声振动板上，并将待熔覆试样置于氩气保护反应容器内，氩气保护反应容器内通有氩气；
5）激光熔覆：采用激光熔覆设备对待熔覆试样进行激光熔覆时先按照超声振动参数进行超声振动，然后再调整好激光熔覆参数进行激光熔覆，得到熔覆试样；
6）振动蠕变时效处理：对熔覆试样按照振动蠕变时效工艺参数进行振动蠕变时效处理即可得到成品。
2.根据权利要求1所述的复合工艺制备熔覆层的方法，其特征是，步骤3）中所述压片模具为自带加热器压片模具，压片模具的温度维持在50℃-70℃。
3.根据权利要求1所述的复合工艺制备熔覆层的方法，其特征是，步骤5）中所述激光熔覆参数为：激光功率：4kW-5kW；激光光斑直径：5mm-6mm；激光扫描速度：600mm/min-800mm/min；搭接率：15%-25%。
4.根据权利要求1所述的复合工艺制备熔覆层的方法，其特征是，步骤5）中所述超声振动参数为：超声振动频率为25000Hz以上；超声振动振幅为20μm-50μm。
5.根据权利要求1所述的复合工艺制备熔覆层的方法，其特征是，步骤6）中所述振动蠕变时效工艺参数为：振动频率为4000Hz-8000Hz；激振力为30kN-50kN；振动时间：3h-4h；时效温度：140℃-180℃；时效时间：12h-20h。
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