CN101812685A

CN101812685A - 铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法

Info

Publication number: CN101812685A
Application number: CN 201010165411
Authority: CN
Inventors: 杨琪
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明涉及铝合金表面复合材料，一种铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法。现有铝合金材料的缺点是：硬度低；耐磨性差。本发明方法如下：丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物；对清洗过的铝合金喷丸处理使表面粗化；配制质量百分比浓度0.1％-0.3％的HgCl₂催化剂溶液；5-95℃下将HgCl₂催化剂溶液敷在铝合金表面，制得表层纳米氧化铝；将上述产物激光熔覆，工艺条件为：激光输出功率为2-5KW；激光光斑直径1-3mm；扫描速度5-15mm/s；多道搭接、搭接率50％；氩气保护；制得纳米氧化铝增强激光熔覆层。本发明的优点是：制备工艺简单；铝合金材料生产成本低、硬度高、耐磨性强，应用广泛。

Description

铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法

技术领域

本发明是涉及铝合金表面复合材料的制备方法，具体地说是一种铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法。

背景技术

铝合金由于其重量轻、耐腐蚀的优点是现代制造业中最常使用的金属材料。几乎各种工业部门的设备、各种工具、建筑材料、生活用品的都离不开铝合金材料。随着技术的发展，铝合金材料的应用范围越来越广泛。现有技术铝合金材料的缺点是：硬度低；耐磨性差。使得铝合金材料制做的设备和产品寿命短；同时也极大的限制了铝合金材料的应用。现代科学技术的发展，现代装备业、制造业迫切需要有硬度高、耐磨性强的铝合金材料做为原料制造出更为先进的装备、设备、工具、用品等等。但是这个问题无法解决，铝合金材料的缺点是一个人们长期渴望解决的技术难题。

目前采用纳米陶瓷颗粒作为增强物制备的铝基激光熔覆层由于纳米陶瓷颗粒相互吸附团聚造成涂层晶粒尺寸和成分不均匀性，使得其难以在工业上应用。

现有技术对于纳米粉末的预置有以下3种方法：

1、机械混合使纳米陶瓷粉末与其他粉末混合均匀，然后制成料浆，直接涂敷在基体表面或烘干后预置在基体表面；或直接将纳米陶瓷粉末粘附在基体表面。

2、纳米陶瓷颗粒表面涂敷金属，增大纳米陶瓷粒子的粒径，提高其分散性。

3、热喷涂将纳米陶瓷粉末预置在基体表面，通过激光重熔形成激光熔覆层。

上述方法都存在着缺点：纳米陶瓷粒子，通过机械混合难以得到很好的分散效果；表面涂敷金属也只能使其分散性得到一定改善，不能解决纳米陶瓷粒子的分散性问题；热喷涂将纳米陶瓷粒子预置在基体表面，会破坏纳米陶瓷粒子的原始形态；而且处理工艺复杂，难以在实际中应用。

因此发明一种工艺简单、操作容易、生产成本低、铝合金材料硬度高、耐磨性强的铝合金表面复合材料的制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、操作容易、生产成本低、铝合金材料硬度高、耐磨性强的铝合金表面复合材料的制备方法。

本发明目的是这样实现的：

一种铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法，步骤如下：

(1)丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物；

(2)对清洗过的铝合金喷丸处理使表面粗化；

(3)配制质量百分比浓度0.1％-0.3％的HgCl₂催化剂溶液；

(4)5-95℃下将HgCl₂催化剂溶液敷在铝合金表面，制得表层纳米氧化铝；

(5)将步骤(4)产物激光熔覆，工艺条件如下：激光输出功率为2-5KW；激光光斑直径1-3mm；扫描速度5-15mm/s；多道搭接、搭接率50％；氩气保护；制得纳米氧化铝增强激光熔覆层。

步骤(3)中溶剂为水。

本发明要点在于：

清洗铝合金表面；催化剂溶液涂敷铝合金表层，制得纳米氧化铝；激光熔覆，制得纳米氧化铝增强激光熔覆层。通过本发明制备出来的铝合金复合材料显微硬度为HV300，比基体提高3-4倍；耐磨性能比基体提高5-7倍。

本发明与已有技术相比，其显著特征是：用于铝基激光熔覆层的纳米氧化铝不是外加的，而是通过化学反应在铝合金表面预先合成的；预先合成的纳米氧化铝在随后的激光熔覆过程中，会烧结成相互桥连的网状结构，其强化效果优于单纯颗粒增强、短纤维增强、颗粒/短纤维混杂增强的强化效果。

本发明过程中的铝合金表面预处理，使用丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物；采用喷丸处理使铝合金表面粗化；是为了提高化学反应效果。丙酮清洗和喷丸处理为公知的已有技术。

本发明使用浓度为0.1-0.3％的HgCl₂水溶液作为合成纳米氧化铝的催化剂；将催化剂涂敷在铝合金表面，5-95℃下进行化学反应，铝合金表面生成纳米氧化铝。

将表面预先合成纳米氧化铝的铝合金在激光输出功率2-5KW、光斑直径1-3mm和扫描速度5-15mm/s下进行扫描，制备铝基激光熔覆层。

激光熔覆前的纳米氧化铝为直径10-20nm、长度达到毫米级的氧化铝纳米纤维；激光熔覆后，纳米氧化铝增强物为相互桥连的网状纳米结构，具有显著的纳米强化效应。

本发明使用的催化剂原料为可溶性汞盐，例如实施例中为HgCl₂。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

铝合金表面通过化学合成纳米氧化铝，可以避免金属表面外加纳米陶瓷粉；不会带来纳米粒子相互团聚的问题。

铝合金表面合成的纳米氧化铝为直径10-20nm，长度达到毫米级的氧化铝纳米纤维，在随后的激光熔覆过程中，氧化铝纳米纤维会烧结形成相互桥连的网状结构，其强化效果要好于单纯的颗粒、短纤维增强或颗粒/短纤维混杂增强的强化效果。

本发明的优点是：

1、制备工艺简单、操作容易。

2、铝合金材料硬度高、耐磨性强，应用广泛。

3、铝合金复合材料生产成本低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明。

实施例1：

铝合金为6061合金，用丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物，采用喷丸处理使铝合金表面粗化。

配制质量百分比浓度为0.1％的HgCl₂水溶液：HgCl₂10克，去离子水10公斤，均匀混合，做为催化氧化反应的催化剂。将催化剂涂敷在铝合金表面，在95℃下，在铝合金表面合成一层纳米氧化铝。将表面预先合成纳米氧化铝的铝合金，进行激光熔覆，工艺条件为：激光输出功率2KW、激光光斑直径为1mm、扫描速度为5mm/s、多道搭接的搭接率为50％、氩气保护，制备纳米纤维氧化铝激光熔覆层。本实施例制备的纳米纤维氧化铝激光熔覆层显微硬度为HV300，比基体提高3.75倍；耐磨性能比基体提高6.51倍。

实施例2：

铝合金基体为6061合金。使用丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物，采用喷丸处理使铝合金表面粗化。配制质量百分比浓度为0.2％的HgCl₂水溶液，HgCl₂20克，去离子水10公斤，均匀混合，做为催化氧化反应的催化剂。将催化剂涂敷在铝合金表面，在25℃下，铝合金表面合成一层纳米氧化铝。将表面预先合成纳米氧化铝的铝合金，进行激光熔覆，激光熔覆工艺如下：激光输出功率为3KW、激光光斑直径为2mm、扫描速度为10mm/s、多道搭接的搭接率为50％、氩气保护，制备纳米纤维氧化铝激光熔覆层。

本实施例制备的纳米纤维氧化铝激光熔覆层的显微硬度为HV286，比基体提高3.58倍；耐磨性能比基体提高5.73倍。

实施例3：

铝合金基体为6061合金。使用丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物，采用喷丸处理使铝合金表面粗化。配制质量百分比浓度为0.3％的HgCl₂水溶液，HgCl₂60克，去离子水20公斤，均匀混合，做为催化氧化反应的催化剂。将催化剂涂敷在铝合金表面，在65℃下，铝合金表面合成一层纳米氧化铝。将表面预先合成纳米氧化铝的铝合金，进行激光熔覆，工艺如下：激光输出功率为4KW、激光光斑直径为3mm、扫描速度为15mm/s、多道搭接的搭接率为50％、氩气保护，制备纳米纤维氧化铝激光熔覆层。

本实施例制备的纳米纤维氧化铝激光熔覆层的显微硬度为HV251，比基体提高3.14倍；耐磨性能比基体提高5.12倍。

上述实施例仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改和变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法，步骤如下：

(1)丙酮清洗铝合金表面的油污和脏物；

(2)对清洗过的铝合金喷丸处理使表面粗化；

(3)配制质量百分比浓度0.1％-0.3％的HgCl₂催化剂溶液；

2.根据权利要求1所述的铝合金表面预先合成纳米氧化铝增强激光熔覆层的方法，其特征在于：步骤(3)溶剂为水。