CN100549233C - 一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法 - Google Patents

一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，它涉及一种增强铝或铝合金表面的方法。它解决了现有技术制备陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的工艺复杂、设备昂贵、成本高及表面强化效果差的问题。方法：一、对铝或铝合金表面进行清理；二、对陶瓷颗粒进行预处理；三、电弧辅助激光熔注：采用CO2激光与TIG电弧加热铝或铝合金表面形成熔池，并注入陶瓷颗粒，待熔池冷却凝固后即实现陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面。本发明工艺简单，所用设备简单，成本低，改善了铝或铝合金表面的硬度和耐磨性，铝或铝合金表面强化效果好。

Description

一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法
技术领域
本发明涉及一种增强铝或铝合金表面的方法。
背景技术
铝或铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度高、比强度高和易成型加工等优异的物理、化学性能。但是，铝或铝合金存在耐磨性差和易产生塑性变形，限制了铝或铝合金的应用范围，因此表面强化是改善铝或铝合金性能的有效方法。
利用激光熔覆技术可在铝或铝合金表面制得碳化硅表面强化层，但由于熔覆层与基体之间化学成分存在较大梯度而导致熔覆层易于开裂。目前，有采用激光熔注技术并预热工件达300℃以上的条件下，在铝表面制作了碳化硅层，但所用钇铝石榴石(YAG)激光器等设备，价格昂贵，工艺复杂，注入前要对材料表面进行喷砂和预热，增加成本，且注入后的粒子分布存在显著的局部偏聚现象，熔注层的成型差，导致表面强化效果差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术制备陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的工艺复杂、设备昂贵、成本高及表面强化效果差的问题，而提供一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法。
一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法按以下步骤实现：一、对铝或铝合金表面进行清理：将铝或铝合金在丙酮中浸泡5～9min取出，在40～60℃的条件下，放入质量浓度为6～10％的氢氧化钠水溶液中碱洗5～9min后清水冲洗，然后放入质量浓度为25～35％的硝酸中浸泡3～5min后清水冲洗，再风干；二、对陶瓷颗粒进行预处理：将粒径为80～120μm的陶瓷颗粒，在100～150℃的条件下烘干1～2h后装入送粉器中；三、电弧辅助激光熔注：将清理后的铝或铝合金置于工作台上，采用波长为10.6μm的CO2激光与TIG电弧共同扫描加热铝或铝合金表面形成熔池，并开启送粉器向熔池中注入陶瓷颗粒，待熔池冷却凝固后即实现陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面；其中步骤三电弧辅助激光熔注工艺参数为：激光输出功率1～3KW，扫描速度2～5mm/s，激光束光斑直径2～4mm，采用同轴氩气对熔池进行保护；TIG电弧采用交流电，电流60～100A，TIG保护气流量3～6L/h，TIG枪倾角为30°～80°，TIG枪倾角为TIG焊枪轴线与铝或铝合金的夹角；送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率120～150mg/s，送粉角为30°～35°，送粉载气流量7～9L/h，送粉角为送粉器轴线与铝或铝合金的夹角。
本发明利用交流钨极氩弧(TIG)电弧的阴极雾化作用去除铝或铝合金表面的氧化膜，降低了基材清洗要求，有效地破除了氧化膜对陶瓷颗粒注入的不利影响，且起到预热基材的作用，提高了基材对激光的吸收率，简化了工艺规程，所用设备简单，价格较低；另外TIG电弧的引入，降低了对CO2激光器波长、功率、模式等的特殊要求，降低了成本，避免了采用单TIG电弧进行熔注时需用电流较大时保护气流量大，吹粉严重、等离子体过大，而电流较小时粒子无法注入等问题；注入的陶瓷颗粒能够避免过量的熔化烧损，并在基材中达到较大的注入颗粒体积比，大大改善了铝或铝合金表面的硬度和耐磨性，且陶瓷颗粒注入深度为0.5～1mm，改善了熔注层的成型，实现了熔注的陶瓷颗粒在基材中体积分布的梯度过渡，避免了强化层与基材之间化学成分存在较大梯度而导致强化层开裂的问题，实现了铝或铝合金表面陶瓷颗粒增强复合材料层的制备，铝或铝合金表面强化效果好。
附图说明
图1是具体实施方式七中所得产物熔注层的形貌图，图2是具体实施方式七中所得产物表面硬度变化谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法按以下步骤实现：一、对铝或铝合金表面进行清理：将铝或铝合金在丙酮中浸泡5～9min取出，在40～60℃的条件下，放入质量浓度为6～10％的氢氧化钠水溶液中碱洗5～9min后清水冲洗，然后放入质量浓度为25～35％的硝酸中浸泡3～5min后清水冲洗，再风干；二、对陶瓷颗粒进行预处理：将粒径为80～120μm的陶瓷颗粒，在100～150℃的条件下烘干1～2h后装入送粉器中；三、电弧辅助激光熔注：将清理后的铝或铝合金置于工作台上，采用波长为10.6μm的CO2激光与TIG电弧共同扫描加热铝或铝合金表面形成熔池，并开启送粉器向熔池中注入陶瓷颗粒，待熔池冷却凝固后即实现陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面；其中步骤三电弧辅助激光熔注工艺参数为：激光输出功率1～3KW，扫描速度2～5mm/s，激光束光斑直径2～4mm，采用同轴氩气对熔池进行保护；TIG电弧采用交流电，电流60～100A，TIG保护气流量3～6L/h，TIG枪倾角为30°～80°；送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率120～150mg/s，送粉角为30°～35°，送粉载气流量7～9L/h。
本实施方式所用陶瓷颗粒为现有各种陶瓷材料；铝合金为现有各种型号的铝合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将铝或铝合金在丙酮中浸泡7min取出，在50℃的条件下，放入质量浓度为8％的氢氧化钠水溶液中碱洗7min后清水冲洗，然后放入质量浓度为30％的硝酸中浸泡4min后清水冲洗，再风干。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将粒径为100μm的陶瓷颗粒，在130℃的条件下烘干1.5h后装入送粉器中。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中激光输出功率2KW，扫描速度4mm/s，激光束光斑直径3mm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中TIG电弧采用交流电，电流80A，TIG保护气流量4L/h，TIG枪倾角为50°。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中TIG枪倾角为TIG焊枪轴线与铝或铝合金的夹角。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率130mg/s，送粉角为30°，送粉载气流量8L/h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中采用后送粉，为了避免陶瓷颗粒在进入熔池前被激光加热过量熔化烧损；送粉角为送粉器轴线与铝或铝合金的夹角。
具体实施方式七：本实施方式一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法按以下步骤实现：一、对1060铝表面进行清理：将1060铝在丙酮中浸泡7min取出，在50℃的条件下，放入质量浓度为8％的氢氧化钠水溶液中碱洗7min后清水冲洗，然后放入质量浓度为30％的硝酸中浸泡4min后清水冲洗，再风干；二、对陶瓷颗粒进行预处理：将粒径为100μm的碳化硅颗粒，在130℃的条件下烘干1h后装入送粉器中；三、电弧辅助激光熔注：将清理后的1060铝置于工作台上，采用波长为10.6μm的CO2激光与TIG电弧共同扫描加热1060铝表面形成熔池，并开启送粉器向熔池中注入碳化硅颗粒，待熔池冷却凝固后即实现碳化硅颗粒增强铝合金表面；其中步骤三电弧辅助激光熔注工艺参数为：激光输出功率2KW，扫描速度4mm/s，激光束光斑直径3mm，采用同轴氩气对熔池进行保护；TIG电弧采用交流电，电流80A，TIG保护气流量4L/h，TIG枪倾角为50°；送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率130mg/s，送粉角为35°，送粉载气流量8L/h。
本实施方式中碳化硅颗粒增强铝表面，图1中可看出熔注的陶瓷颗粒在铝中体积分布呈现梯度过渡，图2中可看出铝的硬度由初始的HV26.6提高到HV40.3，碳化硅颗粒增强铝表面强化效果好。

Claims (6)

1、一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法按以下步骤实现：一、对铝或铝合金表面进行清理：将铝或铝合金在丙酮中浸泡5～9min取出，在40～60℃的条件下，放入质量浓度为6～10％的氢氧化钠水溶液中碱洗5～9min后清水冲洗，然后放入质量浓度为25～35％的硝酸中浸泡3～5min后清水冲洗，再风干；二、对陶瓷颗粒进行预处理：将粒径为80～120μm的陶瓷颗粒，在100～150℃的条件下烘干1～2h后装入送粉器中；三、电弧辅助激光熔注：将清理后的铝或铝合金置于工作台上，采用波长为10.6μm的CO2激光与TIG电弧共同扫描加热铝或铝合金表面形成熔池，并开启送粉器向熔池中注入陶瓷颗粒，待熔池冷却凝固后即实现陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面；其中步骤三电弧辅助激光熔注工艺参数为：激光输出功率1～3KW，扫描速度2～5mm/s，激光束光斑直径2～4mm，采用同轴氩气对熔池进行保护；TIG电弧采用交流电，电流60～100A，TIG保护气流量3～6L/h，TIG枪倾角为30°～80°，TIG枪倾角为TIG焊枪轴线与铝或铝合金的夹角；送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率120～150mg/s，送粉角为30°～35°，送粉载气流量7～9L/h，送粉角为送粉器轴线与铝或铝合金的夹角。
2、根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于步骤一中将铝或铝合金在丙酮中浸泡7min取出，在50℃的条件下，放入质量浓度为8％的氢氧化钠水溶液中碱洗7min后清水冲洗，然后放入质量浓度为30％的硝酸中浸泡4min后清水冲洗，再风干。
3、根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于步骤二中将粒径为100μm的陶瓷颗粒，在130℃的条件下烘干1.5h后装入送粉器中。
4、根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于步骤三中激光输出功率2KW，扫描速度4mm/s，激光束光斑直径3mm。
5、根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于步骤三中TIG电弧采用交流电，电流80A，TIG保护气流量4L/h，TIG枪倾角为50°。
6、根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面的方法，其特征在于步骤三中送粉器的送粉位置采用后送粉，送粉率130mg/s，送粉角为30°，送粉载气流量8L/h。
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In situ investigation of fracture behavior inmonocrystallineWCp-reinforced Ti-6Al-4V metal matrixcomposites producedby laser melt injection. Dejian Liu, Yanbin Chen, Liqun Li and Fuquan Li.Scripta MATERIALIA,Vol.59 . 2008
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