CN109807494A

CN109807494A - 一种用于az91d镁基材料表面堆焊的复合粉末

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Publication number: CN109807494A
Application number: CN201811512276.2A
Authority: CN
Inventors: 李惠; 孔德福; 焦雷; 陆圣波; 钟武; 徐品一; 徐东; 张�雄
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: CN109807494B

Abstract

本发明公开了一种对镁基材料表面进行堆焊加工处理的一种复合粉末，具体针对AZ91D镁基材料表面堆焊处理而提高其耐磨性能的复合粉末，其特点是在保障完成等离子表面堆焊工艺的前提下，显著提高了AZ91D镁基材料的耐磨损、耐腐蚀、耐高温冲刷性能。这种合金粉末材料的特点是在传统合金粉末中加入稀土元素铕(Eu)或钇(Y)促使形成新型纳米层状金属间化合物，使得等离子堆焊之后复合材料表面耐磨损性能提高35％左右，同时堆焊层平滑均匀并且不出现气孔和裂纹，大幅延长了AZ91D镁基复合材料零部件磨损周期和使用寿命。

Description

一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末

技术领域

本发明涉及金属表面进行堆焊加工处理的一种复合粉末，具体涉及AZ91D镁基材料表面等离子堆焊用的合金复合粉末。

背景技术

AZ91镁基材料由于具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等诸多优异的性能，在光学精密仪器、汽车车身与发动机、航空航天器结构等方面都取得了成功的应用。然而AZ91镁基复合材料本身也存在一定的缺陷和不足，AZ91镁合金基体硬度较低、摩擦系数高、容易拉伤且难以润滑导致其耐磨性差。纵观金属材料领域，金属材料的消耗、失效的主要原因之一就是磨损。据相关数据统计，每年由磨损所造成的经济损失直接或间接损失达到了数千亿元。因此提高AZ91镁基复合材料构件的耐磨性能，是扩大AZ91镁基复合材料零部件应用领域的一项重要任务和亟待解决的瓶颈问题。

为了提高金属材料的耐摩擦磨损性能，广大科研人员做了大量的工作，检索近些年表面加工处理技术与材料主要有：(1)2016年南京航空航天大学材料学院发表论文《渗碳温度对Ti2AlNb合金摩擦磨损性能的影响》，研究不同渗碳温度对Ti2AlNb合金微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。(2)2012年南昌航空大学发表论文《三维镍网增强铝基复合材料摩擦磨损性能研究》，研究表明三维镍网增强铝基复合材料的耐磨性优于基体合金，且随载荷增加、转速增大、磨损时间延长以及网络孔隙度的增大，耐磨性提高越明显。(3)2016年解放军理工大学野战工程学院发表论文《激光熔覆TiB2颗粒增强镍基合金复合涂层的微观组织与摩擦学性能研究》，研究了TiB2颗粒增强镍基合金复合涂层在干摩擦和海水介质中的摩擦磨损行为与机制。(4)2013年山东大学专利，公开号为：CN101566271B，一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法。以上这些技术和粉末材料虽然暂时解决一些材料耐磨问题，但其仍有很大的局限性，尤其是针对解决提高AZ91镁基复合材料耐磨性问题仍不适用，例如应用传统合金粉末材料对AZ91镁基复合材料进行表面加工处理，会产生涂层易剥落和涂层与基体结合处产生裂纹或气孔等缺陷，严重影响构件整体的耐磨性能。

为解决此问题，本发明摒弃传统合金粉末成分配比，并联合运用添加两项稀土元素：铕(Eu)或钇(Y)，在堆焊层内形成大量新型纳米层状铕与钇的韧性稀土相，同时促使堆焊层组织晶粒细化，部分Zr3AlC2陶瓷增强相发生球化并弥散分布，从而改善堆焊层硬脆性，大大提高AZ91镁基复合材料构件抗冷裂纹性能。此外。本发明进一步优化改进等离子堆焊粉末合金的组分配比，实现了AZ91镁基复合材料表面高耐磨耐裂的等离子堆焊工艺。

发明内容

发明目的：为克服以上技术的不足，本发明提出一种硬度较高、耐高温、耐腐蚀、耐冲刷耐磨的具有优越性能的，适合AZ91镁基复合材料表面等离子堆焊专用的铜基合金复合粉末。

本发明给出的技术方案之一是：一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：1.0％≤B≤2.0％；Y：0.1％～0.5％；Al：6.0％～8.2％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：1％；Cu：余量。其中，堆焊时复合粉末使用粒度为50～210目，等离子焊接后堆焊层的硬度30～40。

本发明给出的技术方案之二是：一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：0.1％<B<1.0％；Eu₂O₃：0.2％～0.8％；Al：6.2％～8.9％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：0.5％；Cu：余量。其中，堆焊时复合粉末使用粒度：70～230目；等离子焊接后堆焊层的硬度35～45。

本发明给出的技术方案之三是：一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：2.0％≤B<2.5％；Eu₂O₃：0.2％～0.8％；Y：0.1～0.5；Al：5.2％～6.9％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：0.5％～1％；Cu：余量。其中，堆焊时复合粉末使用粒度：80～260目，等离子焊接后堆焊层的硬度HRC40～45。

上述粉末的制备方法非常简单，按照上述粉末成分比例要求直接将原料粉末均匀混合过筛即可。

堆焊工艺参数为：焊枪高度：9－11mm；主弧电流：100－110A；维弧电流：25－30A；转台转速：0.10-0.12(控制盒显示值)；送粉电机：48V(空载)32V(负载)；离子气流量：0.3-0.35m³/h；保护气流量：0.2-0.4m³/h；送粉气流量：0.26-0.35m³/h；摆动幅度：4.5mm；摆动频率：4Hz；摆动停留时间：左＝右＝1.4-1.8s。

与现有技术相比，本发明的特点是：在传统合金粉末中加入稀土元素铕(Eu)和钇(Y)，通过调整合金粉末的组分比例，获得了高耐裂，高耐磨、耐腐蚀和耐高温冲刷的合金粉末，该粉末材料更适用于AZ91D镁基材料表面的等离子堆焊，焊后堆焊层表面平滑均匀，堆焊层硬度HRC达36-42，高质量完成堆焊工艺质量要求，实现要求如图1所示：经X射线探伤，气孔与裂纹率均远远小于传统粉末，完全达到高质量提升AZ91D镁基材料表面耐磨性能，有效延长了AZ91D镁基材料构件的磨损周期和使用寿命，是一种商业前景广阔的新等离子堆焊复合粉末材料。

附图说明

图1新型粉末与传统粉末等离子堆焊AZ91D镁基板材对比图片：(a)为实施例1制备的新型粉末结果；(b)为传统粉末结果(不含铕和钇)。

具体实施方式

实施例1

对SiC/AZ91镁基复合材料表面进行等离子堆焊加工工艺试验，合金粉末材料各组分质量百分比分数为：B：2.0％；Y：0.1％；Al：6.0％；Zr：2.1％％；C：1.2％；Zn：0.6％；Mn：0.9％；Si：1.6％；Fe：1％；Cu：余量；堆焊粉末使用粒度：50目。

其工艺参数为：焊枪高度：9mm；主弧电流：100A；维弧电流：25A；转台转速：0.10(控制盒显示值)；送粉电机：48V(空载)32V(负载)；离子气流量：0.30m³/h；保护气流量：0.2m³/h；送粉气流量：0.26m³/h；摆动幅度：4.5mm；摆动频率：4Hz；摆动停留时间：左＝右＝1.4s。

试验结果：如图1(a)所示，AZ91镁基复合材料表面堆焊层厚度约为3.2mm，外观较好，总体成型符合要求，堆焊层实测硬度HRC:38.25，车削加工后X射线探伤，未出现气孔、裂纹；此焊接规范符合喷焊要求，实际焊接可参考，效果明显好于传统粉末等离子堆焊效果(如图1(b)所示)。

实施例2

对Si3N4/AZ91镁基复合材料表面进行等离子堆焊加工工艺试验，合金粉末材料各组分质量百分比分数为：B:1.0％；Eu₂O₃：0.8％；Al：8.9％；Zr：3.2％；C：1.8％；Zn：1.5％；Mn：1.5％；Si：2.6％；Fe：0.5％；Cu：余量；堆焊粉末使用粒度：230目。

其工艺参数为：焊枪高度：10mm；主弧电流：105A；维弧电流：28A；转台转速：0.11(控制盒显示值)；送粉电机：48V(空载)32V(负载)；离子气流量：0.35m³/h；保护气流量：0.3m³/h；送粉气流量：0.30m³/h；摆动幅度：4.5mm；摆动频率：4Hz；摆动停留时间：左＝右＝1.6s。

试验结果：SiC/AZ91镁基复合材料表面堆焊层厚度约为3.3mm，外观较好，总体成型符合要求，堆焊层实测硬度HRC:39.89，车削加工后X射线探伤，未出现气孔、裂纹；此焊接规范符合喷焊要求，实际焊接可参考。

实施例3

对AlN/AZ91镁基复合材料表面进行等离子堆焊加工工艺试验，合金粉末材料各组分质量百分比分数为：B:2.5％；Eu2O3：0.2％；Y：0.5；Al：6.9％；Zr：3.2％；C：1.2％；Zn：0.6％；Mn：0.9％；Si：1.6％；Fe：1％；Cu：余量；堆焊粉末使用粒度：260目。

其工艺参数为：焊枪高度：11mm；主弧电流：110A；维弧电流：30A；转台转速：0.12(控制盒显示值)；送粉电机：48V(空载)32V(负载)；离子气流量：0.35m³/h；保护气流量：0.4m³/h；送粉气流量：0.35m³/h；摆动幅度：4.5mm；摆动频率：4Hz；摆动停留时间：左＝右＝1.8s。

试验结果：AlN/AZ91镁基复合材料表面堆焊层厚度约为3.4mm，外观较好，总体成型符合要求，堆焊层实测硬度HRC:42.88，车削加工后X射线探伤，未出现气孔、裂纹；此焊接规范符合喷焊要求，实际焊接可参考。

Claims

1.一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：1.0％≤B≤2.0％；Y：0.1％～0.5％；Al：6.0％～8.2％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：1％；Cu：余量。

2.根据权利要求1所述的用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，堆焊时复合粉末使用粒度为50～210目。

3.一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：0.1％<B<1.0％；Eu₂O₃：0.2％～0.8％；Al：6.2％～8.9％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：0.5％；Cu：余量。

4.根据权利要求3所述的用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，堆焊时复合粉末使用粒度：70～230目。

5.一种用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，所述复合粉末包括如下质量百分比的组分：2.0％≤B<2.5％；Eu₂O₃：0.2％～0.8％；Y：0.1～0.5；Al：5.2％～6.9％；Zr：2.1％～3.2％；C：1.2％～1.8％；Zn：0.6％～1.5％；Mn：0.9％～1.5％；Si：1.6％～2.6％；Fe：0.5％～1％；Cu：余量。

6.根据权利要求5所述的用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末，其特征在于，堆焊时复合粉末使用粒度：80～260目。

7.权利要求1或3或5所述的用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末的制备方法，其特征在于，按照上述粉末成分比例要求直接将原料粉末均匀混合过筛即可。

8.权利要求1或3或5所述的用于AZ91D镁基材料表面堆焊的复合粉末在AZ91D镁基材料表面堆焊中的应用，其中，堆焊工艺参数为：焊枪高度：9－11mm；主弧电流：100－110A；维弧电流：25－30A；转台转速：0.10-0.12；送粉电机：空载48V，负载32V；离子气流量：0.3-0.35m³/h；保护气流量：0.2-0.4m³/h；送粉气流量：0.26-0.35m³/h；摆动幅度：4.5mm；摆动频率：4Hz；摆动停留时间：左＝右＝1.4-1.8s。