CN110396691B - 一种6061铝合金表面处理方法 - Google Patents

一种6061铝合金表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种6061铝合金表面处理方法，是采用激光熔覆方法在6061铝合金表面原位合成TWIP钢涂层；TWIP钢涂层按重量份计，包括有Fe粉44‑56份、Mn粉27‑31份、Si粉7‑9份、Al粉3‑4份和C粉2‑3份。本发明具有处理后的6061铝合金表面物化性能好，且基材受损小的特点。

Description

一种6061铝合金表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金表面处理方法，特别是一种6061铝合金表面处理方法。
背景技术
6061铝合金因其密度小、热导率好、比强度高、成本低廉、易加工成型等优点而被广泛应用于航天航空、汽车器件等领域。但在实际的应用服役过程中，铝合金也存在诸多问题。比如；硬度较低、耐磨性差、易产生塑性变形等很大程度上限制了铝合金的应用。故急需开发一种涂层来提高6061铝合金表面的硬度及耐磨等性能，用于修复或强化6061铝合金，同时也可创造出很高的经济效益。
TWIP钢因其TWIP效应（孪生诱发塑性）而受人们青睐，其高强度，高塑性以及优异抗冲击性能和良好的伸长率而广泛应用于汽车零配件上，因此研究开发了激光熔覆TWIP钢涂层，因TWIP钢的层错能比较低，在变形较大的区域会优先产生孪晶，孪晶界阻碍了位错的滑移而造成位错塞积，导致材料的强度增加，当变形继续进行时需要更大的应力，孪晶数量会增加，不同的孪晶之间相互缠结交割，进一步提高了局部区域的强度，同时，变形会向低应变区域转移，从而推迟了颈缩的形成；其次在变形过程中，奥氏体晶粒内部会产生大量的形变孪晶，这些形变孪晶不断切割奥氏体晶粒，一般称为“动态Hall-Petch”效应，即细晶强化作用，因此提高了材料的加工硬化能力；变形过程中形成的形变孪晶与奥氏体基体呈共格关系，这种共格的CSL晶界可以抑制裂纹的扩展，有利于提高材料的均匀延伸率。在熔覆过程中基材中的Al会溢到涂层里，因为Al元素是奥氏体形成元素，在冷却时会抑制渗碳体的形成，可以提高钢的层错能，从而抑制γ→ε相变，并且有利于形变孪晶的形成，提高钢的强度和塑性，同时Al还会降低钢的密度，且容易在奥氏体基体中形成高密度弥散分布的Fe-AlB2型第二相颗粒，在增加涂层延展性的同时，也获得了高强度密度比。
但现目前的6061铝合金表面改性涂层大多为铝基合金，这是因为铝基合金的熔点较低，与6061铝合金基材的熔点接近，在激光熔覆过程中不容易造成6061铝合金基材的损伤。而熔点较高的合金涂层（如本申请所述的钢涂层）则很难通过激光熔覆的方法将其施加在6061铝合金的表面，这是因为在实际的熔覆过程中，铝合金的反射率比较大，导热率比较高，表面易被氧化，且铝合金的熔点比较低，故熔覆界面不好调控，在结合界面会出现锯齿状。
基于此，本项目研究者从调配TWIP钢的配方和改变熔覆工艺的结合的角度出发，开发了一种新型的6061铝合金表面处理方法，能够在6061铝合金表面熔覆TWIP钢涂层，使6061铝合金表面具有更好的物化性能，同时又不损坏6061铝合金基材。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种6061铝合金表面处理方法。本发明具有处理后的6061铝合金表面物化性能好，且基材受损小的特点。
本发明的技术方案：一种6061铝合金表面处理方法，是采用激光熔覆方法在6061铝合金表面原位合成TWIP钢涂层；TWIP钢涂层按重量份计，包括有Fe粉44-56份、Mn粉27-31份、Si粉7-9份、Al粉3-4份和C粉2-3份。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述激光熔覆方法是将预处理后的TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面，然后先采用激光球化法进行球化处理，从而得到球化的TWIP钢粉末，最后利用光纤激光器对球化的TWIP钢粉末进行激光熔覆。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述预处理是将TWIP钢粉末放入行星式球磨机中进行干磨。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述行星式球磨机的球磨罐及磨球材质为不锈钢或刚玉，磨料比为6:1-8:1，转速为180-240转每分钟，球磨时间为2-5小时，干磨结束后将粉末放入真空干燥箱中在110-130℃干燥1-3h。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面时，铺粉厚度为0.4-1.0 mm。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述激光球化过程中，通入氩气进行保护。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述激光球化处理时采用的激光功率为2.2-3.2 kW，激光光斑直径为3-6 mm，激光扫描速度为3-8 mm/s。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述激光熔覆过程中，通入氩气进行保护。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述激光熔覆光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为30-50%，送粉量为0.4-0.8 g/s。
前述的6061铝合金表面处理方法，所述Fe粉、Mn粉、Si粉、Al粉和C粉的纯度均大于99.7%，粒度均为140-280目。
本发明的有益效果
本发明在合理配比TWIP钢涂层原料的基础上，采用激光熔覆制备的TWIP钢涂层与基材冶金结合良好，利用TWIP钢的TWIP效应，孪生诱发塑性、位错塞积提高强度；产生的细小孪晶切割奥氏体晶粒而起到细晶强化作用。形变孪晶与奥氏体基体的共格抑制了裂纹的扩展，提高了6061铝合金表面的均匀延伸率，使得6061铝合金表面的物化性能得到明显改善。
此外，本发明通过调配TWIP钢涂层原料的组成和配比，能够在实现激光熔覆的基础上，还减少对6061铝合金基材的损伤。
实验例
为了进一步说明本发明所具有的有益效果，发明人做了以下实验：
涂层的硬度
本发明制备的涂层硬度结果如图1所示，涂层的平均硬度达到基材的8倍左右,主要是固溶强化以及细晶强化，原位生成第二相均匀分布在涂层中产生第二相强化引起的。
涂层的耐磨性
对本发明制备所得的激光熔覆原位生成的涂层进行摩擦磨损实验，图2为6061铝合金基体和涂层的摩擦因数，图3是基体与涂层磨损体积的对比图。涂层的摩擦系数比较稳定，基体的波动比较大，涂层磨损体积为0.0908mm3，远小于基体磨损体积（0.2000mm3），基体的磨损机理主要为磨粒磨损与粘着磨损，以及存在一定的疲劳破坏。涂层主要是少量的粘着磨损及其轻微的磨粒磨损。从摩擦系数与磨损体积可以看出涂层的耐磨性明显比基体要好。
涂层的耐蚀性
对本发明制备所得的激光熔覆原位生成的涂层进行了电化学实验，腐蚀溶液为3.5％NaCl溶液，从极化曲线可看出，基体在开始的阳极曲线比较平缓，然后腐蚀的速率比较快，在经过较大的腐蚀电流后发生钝化。而涂层较基体材料而言，在阳极溶解以后，腐蚀速率明显要平缓很多，产生钝化平台时的腐蚀电流更小，钝化性与耐蚀性明显要优于基体材料。
附图说明
附图1 TWIP钢涂层的硬度分布；
附图2 TWIP钢涂层的摩擦系数曲线；
附图3 TWIP钢涂层的磨损量；
附图4 TWIP钢涂层的耐蚀性；
附图5为熔覆的实体图，其中基材为6061铝合金，6061铝合金上的涂层即为本发明的TWIP钢涂层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1：一种6061铝合金表面处理方法，步骤如下：
1）将纯度均大于99.7%，粒度均为200目的Fe粉50份、Mn粉29份、Si粉8份、Al粉3份和C粉2份混合，得TWIP钢粉末原料；
2）将TWIP钢粉末原料放入行星式球磨机中进行干磨，行星式球磨机的球磨罐及磨球材质为不锈钢或刚玉，磨料比为7:1，转速为210转每分钟，球磨时间为4小时，干磨结束后将粉末放入真空干燥箱中在120℃干燥2h，得预处理的TWIP钢粉末；
3）将预处理的TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面，厚度为0.7 mm，然后在氩气保护下，采用的激光功率为2.7 kW，激光光斑直径为4 mm，激光扫描速度为5 mm/s的参数进行激光球化，得球化的TWIP钢粉末；
4）将球化后的TWIP钢粉末在氩气保护下，通过光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为40%，送粉量为0.6 g/s的参数进行激光熔覆即可。
实施例2：一种6061铝合金表面处理方法，步骤如下：
1）将纯度均大于99.7%，粒度均为140目的Fe粉44份、Mn粉27份、Si粉7份、Al粉3份和C粉2份混合，得TWIP钢粉末原料；
2）将TWIP钢粉末原料放入行星式球磨机中进行干磨，行星式球磨机的球磨罐及磨球材质为不锈钢或刚玉，磨料比为6:1，转速为180转每分钟，球磨时间为2小时，干磨结束后将粉末放入真空干燥箱中在110℃干燥1h，得预处理的TWIP钢粉末；
3）将预处理的TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面，厚度为0.4 mm，然后在氩气保护下，采用的激光功率为2.2 kW，激光光斑直径为3 mm，激光扫描速度为3 mm/s的参数进行激光球化，得球化的TWIP钢粉末；
4）将球化后的TWIP钢粉末在氩气保护下，通过光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为30%，送粉量为0.4 g/s的参数进行激光熔覆即可。
实施例3：一种6061铝合金表面处理方法，步骤如下：
1）将纯度均大于99.7%，粒度均为280目的Fe粉56份、Mn粉31份、Si粉9份、Al粉4份和C粉3份混合，得TWIP钢粉末原料；
2）将TWIP钢粉末原料放入行星式球磨机中进行干磨，行星式球磨机的球磨罐及磨球材质为不锈钢或刚玉，磨料比为8:1，转速为240转每分钟，球磨时间为5小时，干磨结束后将粉末放入真空干燥箱中在130℃干燥3h，得预处理的TWIP钢粉末；
3）将预处理的TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面，厚度为1.0 mm，然后在氩气保护下，采用的激光功率为3.2 kW，激光光斑直径为6 mm，激光扫描速度为8 mm/s的参数进行激光球化，得球化的TWIP钢粉末；
4）将球化后的TWIP钢粉末在氩气保护下，通过光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为50%，送粉量为0.8 g/s的参数进行激光熔覆即可。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种6061铝合金表面处理方法，其特征在于：是采用激光熔覆方法在6061铝合金表面原位合成TWIP钢涂层；TWIP钢涂层按重量份计，包括有Fe粉44-56份、Mn粉27-31份、Si粉7-9份、Al粉3-4份和C粉2-3份。
2.根据权利要求1所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述激光熔覆方法是将预处理后的TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面，然后先采用激光球化法进行球化处理，从而得到球化的TWIP钢粉末，最后利用光纤激光器对球化的TWIP钢粉末进行激光熔覆。
3.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述预处理是将TWIP钢粉末放入行星式球磨机中进行干磨。
4.根据权利要求3所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述行星式球磨机的球磨罐及磨球材质为不锈钢或刚玉，磨料比为6:1-8:1，转速为180-240转每分钟，球磨时间为2-5小时，干磨结束后将粉末放入真空干燥箱中在110-130℃干燥1-3h。
5.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述TWIP钢粉末预置在6061铝合金表面时，铺粉厚度为0.4-1.0 mm。
6.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述激光球化过程中，通入氩气进行保护。
7.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述激光球化处理时采用的激光功率为2.2-3.2 kW，激光光斑直径为3-6 mm，激光扫描速度为3-8 mm/s。
8.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中，通入氩气进行保护。
9.根据权利要求2所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述激光熔覆光斑尺寸d＝1 mm×10 mm，搭接率为30-50%，送粉量为0.4-0.8 g/s。
10.根据权利要求1所述的6061铝合金表面处理方法，其特征在于：所述Fe粉、Mn粉、Si粉、Al粉和C粉的纯度均大于99.7%，粒度均为140-280目。
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