CN102601373A - 一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置。复合陶瓷层是由SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄等组成、晶粒尺寸分布在亚微米至纳米间的多相组织；基本的生产工艺方法为：将合适粒度、合适成分的混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，然后一并置入微波烧结装置中加热至合适温度，表面涂覆混合粉末层发生相应的物理化学反应而生成由SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄等组成、晶粒尺寸分布在亚微米至纳米间的多相组织，并与基体铝合金发生良好的冶金结合，形成一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料；其所用微波烧结装置由微波发生器、远红外测温仪、隔热板、吸波层、工件台、压紧弹簧等组成，能够实现：铝合金基体和表面涂覆混合粉末层在同一微波场内同时被加热。

Description

一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，特别是一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置。

背景技术

铝及铝合金是除黑色金属外，人类应用最广泛的一种金属材料。铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等优异性能，在机械、建筑、交通、国防、航空航天、汽车等领域中广泛得到应用，已成为典型的结构材料。但铝合金也存在诸多问题，如：在有氯离子及碱性介质存在的情况下，极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏；硬度较低、摩擦系数高、磨损大，容易拉伤且难以润滑，导致耐磨性差；强度不高，易产生塑性变形。这些缺点在很大程度上限制了铝合金的应用。

铝合金表面强化是改善铝合金性能，从而扩大其在国防、航空航天、汽车、发动机、活塞等重要领域中应用的有效方法。目前，在诸多表面强化方法中，基本可以分为两类，一类是扩散覆层，另一类是熔覆层。扩散覆层表面强化的常用方法主要包括：阳极氧化、铬酸盐化学氧化、物理气相沉积、化学气相沉积、电弧喷涂、电镀以及微弧氧化等。但这些方法获得的强化层较薄（仅有几百微米），不致密，强化层与基体之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，容易产生开裂、脱落，直接导致耐磨性能的降低。熔覆层表面强化的典型手段是激光表面处理，可以在铝合金表面上获得厚而致密的强化层，且强化层与基体间属冶金结合，结合强度高，同时表面强化只对表层起作用，不影响基体的性质。但该类熔覆层表面强化技术均属于局部加热，且铝合金的导热系数大，因此熔覆层至基体热影响区容易产生较大的温度应力而出现微裂纹、气孔等缺陷，导致不能发生良好的冶金结合。

发明内容

本发明的目的是要提供一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置，解决扩散覆层方法和熔覆层方法存在的结合强度不高、容易产生开裂、脱落及因温度应力而出现微裂纹、气孔缺陷，导致不能发生良好的冶金结合的问题。

本发明的目的是这样实现的：复合陶瓷层表面强化的铝合金材料及其制备方法：

a、采用高能球磨设备制备混合粉末, 混合粉末包括：Mg、Al、MgO、SiO₂、 Al₂O₃和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.6～1.6微米之间；

b、对基体铝合金依次经过表面砂纸打磨、丙酮超声波清洗、碱液清洗、中和、清水、烘干过程，去除表面结晶水氧化膜，对基体铝合金表面实现清洁处理；

c、采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，在基体铝合金表面涂覆混合粉末层；

d、将表面涂覆混合粉末层与基体铝合金一同置入微波烧结装置中，微波主频率为2450MHz，设置微波输出功率为1800W时，约20分钟内，将基体铝合金间接加热至600℃左右，而表面涂覆混合粉末层则直接吸收微波而被加热至950℃左右，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在950℃左右下保持30分钟，在微波作用下，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合陶瓷层，所述的多相组织复合陶瓷层包括SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。

所述的微波烧结装置包括微波发生器、隔热层、保温层、上红外测温仪和下红外测温仪，以及吸波层、工件台和压紧弹簧；隔热层和保温层构成炉体，隔热层位于保温层外，在炉体的上端和侧面分别有上红外测温仪和下红外测温仪，在炉体的一侧有微波发生器插入至炉体内，在炉体内有专用烧结炉膛，专用烧结炉膛包括吸波层、工件台和压紧弹簧，吸波层为一腔体，工件台和压紧弹簧位于吸波层的腔体内，吸波层的腔体底面与工件台之间有压紧弹簧，在工件台上有基体铝合金和混合粉末层。

有益效果：由于采用了上述方案，首先所获得的铝合金材料，通过表面涂覆混合粉末层的组分设计，可以在铝合金表面获得一种由SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄组成的多相组织复合陶瓷层，该多相组织复合陶瓷层晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间，与铝合金基体发生良好的冶金结合，从而使铝合金具备较好的机械力学性能和防腐耐磨性能。其次，所应用的制备方法，可以实现：在同一微波场内，铝合金基体可以间接利用微波而被加热，这充分利用了微波温度均匀、高效节能、环保无污的加热特点；而表面涂覆的混合粉末层则可以直接吸收微波而被加热，这则充分利用了微波促进相结构均匀、晶粒细小、组织致密、性能更好的非热效应特点。总之，与目前其他诸多铝合金表面强化方法相比，多相组织复合陶瓷层具有良好的防腐耐磨性能且与基体铝合金发生良好的冶金结合，最终获得一种多相多尺度、防腐耐磨复合陶瓷层表面强化的铝合金材料。具有较好的机械力学性能和防腐耐磨性能。解决了扩散覆层方法和熔覆层方法存在的结合强度不高、容易产生开裂、脱落及因温度应力而出现微裂纹、气孔缺陷，导致不能发生良好的冶金结合的问题，达到了本发明的目的。

优点： 

1．有效利用了微波加热烧结的特性，加快了生产周期，降低了能耗，节约了成本。

2．由于所采用的微波烧结装置是可以在普通工业微波炉上配合使用的，因此大大降低了对工业微波炉的依赖及改造成本。 

3．所得铝合金表面复合陶瓷层，可以通过表面涂覆混合粉末层的组分设计而获得不同的相组成及晶粒尺寸等微观特性，从而使复合陶瓷层表面强化的铝合金材料具备不同的宏观力学性能。

4．所得多相多尺度、防腐耐磨复合陶瓷层表面强化的铝合金材料机械力学性能、防腐耐磨性能大幅提高。

5．该方法制备效率高，温度控制方便，节能环保，成本低廉，所得新型的铝合金材料机械力学性能、防腐耐磨性能较好。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图中：1、微波发生器；2、隔热板；3、保温陶瓷层；4、上红外测温仪；5、表面涂覆混合粉末层；6、吸波层；7、基体铝合金；8、工件台；9、压紧弹簧；10、下远红外测温仪。

具体实施方式

实施例1：

复合陶瓷层表面强化的铝合金材料及其制备方法：

a、采用高能球磨设备制备混合粉末, 混合粉末包括：Mg、Al、MgO、SiO₂、 Al₂O₃和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.6～1.6微米之间；

b、对基体铝合金依次经过表面砂纸打磨、丙酮超声波清洗、碱液清洗、中和、清水、烘干过程，去除表面结晶水氧化膜，对基体铝合金表面实现清洁处理；

c、采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，在基体铝合金表面表面涂覆混合粉末层；

d、将表面涂覆混合粉末层与基体铝合金一同置入微波烧结装置中，微波主频率为2450MHz，设置微波输出功率为1800W时，约20分钟内，将基体铝合金间接加热至600℃左右，而表面涂覆混合粉末层则直接吸收微波而被加热至950℃左右，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在950℃左右下保持30分钟，在微波作用下，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合陶瓷层，所述的多相组织复合陶瓷层包括SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。

所述的微波烧结装置包括微波发生器1、隔热层2、保温层3、上红外测温仪4和下红外测温仪10，以及吸波层6、工件台8和压紧弹簧9、基体铝合金7、混合粉末层5。

隔热层2和保温层3构成炉体，隔热层2位于保温层3外，在炉体的上端和侧面分别有上红外测温仪4和下红外测温仪10，在炉体的一侧有微波发生器1插入至炉体内，在炉体内有专用烧结炉膛，专用烧结炉膛包括吸波层6、工件台8和压紧弹簧9，吸波层6为一腔体，工件台8和压紧弹簧9位于吸波层6的腔体内，吸波层6的腔体底面与工件台8之间有压紧弹簧9，在工件台8上有基体铝合金7和混合粉末层5。

本发明的复合陶瓷层表面强化的铝合金材料及其制备方法：首先，采用高能球磨设备制备混合粉末, 混合粉末由Mg、Al、MgO、SiO₂、 Al₂O₃和SiC等微粉组成，粒度分布在0.6～1.6微米之间。并根据需要，添加防止氧化的防氧化剂；其次，对基体铝合金进行高清洁度的表面处理，依次经过表面砂纸打磨、丙酮超声波清洗、碱液清洗、中和、清水、烘干等过程，去除表面结晶水氧化膜；然后，将混合粉末进行涂覆，即采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，形成表面涂覆混合粉末层；最后，进行微波烧结和熔覆，即将表面涂覆混合粉末层与基体铝合金一同置入微波烧结装置中，微波炉的主频率为2450MHz，设置1800W的输出功率，约20分钟的升温时间，将基体铝合金间接加热至600℃左右，而表面涂覆混合粉末层则直接吸收微波而被加热至950℃左右，两者同时被保持30分钟。表面涂覆混合粉末层将会发生相应的物理化学反应，生成包括SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄等的多相组织复合陶瓷层，且在微波的特殊作用下，其微观相组织均匀、晶粒细小，主要分布于亚微米至纳米之间，且该多相组织复合陶瓷层与基体铝合金发生良好的冶金结合，具有较好的机械力学性能和防腐耐磨性能。而基体铝合金在微波的间接作用下，被加热至600℃左右的温度下，减小了与多相组织复合陶瓷层之间温度差别，避免了两者之间的温度应力，从而有利于两者之间结合强度。

图1中，微波烧结装置由微波发生器1、隔热板2、保温陶瓷层3、远红外测温仪4和10、吸波层6、工件台8和压紧弹簧9构成，其中吸波层6、工件台8和压紧弹簧9形成一个专用烧结炉膛。在高温环境中，吸波层6可以选用的微波吸波材料基本有三类，粉体类如SiC粉末等、块体类如铁氧体等和流体类微波吸波涂料。其中，粉体类SiC粉末可以利用透波非金属材料封装使用；微波吸波涂料可以方便的在块体类吸波材料上进行涂刷，从而改变吸波层6的厚度而改变铝合金基体的温度。基体铝合金7的大小可以在一定范围内变化，从而满足了不同尺寸工件的制备需要。弹簧9则可以将试样台8、基体铝合金7和表面涂覆混合粉末层5与吸波层6压紧，在同一微波场内，实现基体铝合金7被包埋于微波，实现了对微波的间接利用，主要发挥了微波加热具有温度均匀、高效节能、环保无污染等优势，而表面涂覆混合粉末层5则被暴漏于微波，这样实现了对微波的直接利用，有效利用了微波具有促进相结构均匀、晶粒细小、组织致密、性能更好的非热效应。温度采集窗口及远红外测温仪4和10，分别用来测量涂覆混合粉末层5表面温度和吸波层6的温度，而吸波层6与基体铝合金7的温度可以近似认为相同，这就实现了对于两者温度的监控和调整。

Claims (2)

1.一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法，其特征是：复合陶瓷层表面强化的铝合金材料及其制备方法：

a、采用高能球磨设备制备混合粉末, 混合粉末包括：Mg、Al、MgO、SiO₂、 Al₂O₃和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.6～1.6微米之间；

b、对基体铝合金依次经过表面砂纸打磨、丙酮超声波清洗、碱液清洗、中和、清水、烘干过程，去除表面结晶水氧化膜，对基体铝合金表面实现清洁处理；

c、采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，在基体铝合金表面涂覆混合粉末层；

d、将表面涂覆混合粉末层与基体铝合金一同置入微波烧结装置中，微波主频率为2450MHz，设置微波输出功率为1800W时，约20分钟内，将基体铝合金间接加热至600℃左右，而表面涂覆混合粉末层则直接吸收微波而被加热至950℃左右，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在950℃左右下保持30分钟，在微波作用下，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合陶瓷层，所述的多相组织复合陶瓷层包括SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。

2.一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备装置，其特征是：所述的微波烧结装置包括微波发生器、隔热层、保温层、上红外测温仪和下红外测温仪，以及吸波层、工件台和压紧弹簧；隔热层和保温层构成炉体，隔热层位于保温层外，在炉体的上端和侧面分别有上红外测温仪和下红外测温仪，在炉体的一侧有微波发生器插入至炉体内，在炉体内有专用烧结炉膛，专用烧结炉膛包括吸波层、工件台和压紧弹簧，吸波层为一腔体，工件台和压紧弹簧位于吸波层的腔体内，吸波层的腔体底面与工件台之间有压紧弹簧，在工件台上有基体铝合金和混合粉末层。

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