CN102691040A

CN102691040A - 超高强度铝合金表面合金化的处理方法

Info

Publication number: CN102691040A
Application number: CN2012101708282A
Authority: CN
Inventors: 周志明; 唐丽文; 黄伟九; 胡建军; 肖志佩; 张宝亮; 罗荣; 胡�治
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102691040B

Abstract

本发明提供了一种超高强度铝合金表面合金化的处理方法，首先真空感应熔炼法制备Crwt.%含量为3~20%的Cu-Cr合金铸锭，去掉表皮、打磨处理后固定安装在真空磁控溅射设备的靶材装置上；将表面打磨处理干净的铝合金装在配用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；开启磁控溅射镀膜设备，在铝合金基材的表面镀2~10μm厚度的Cu-Cr合金膜；将表面镀好Ni-Cr合金膜的铝合金放入到强流脉冲电子束设备中，进行电子束表面合金化处理，本发明的方法，在铝合金表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好的Cu-Cr合金化层，该合金化层与铝合金基体有良好结合力；能有效提高镁合金表面强度，提高镁合金表面耐磨性和耐蚀性。

Description

超高强度铝合金表面合金化的处理方法

技术领域

本发明涉及超高强度铝合金表面合金化的处理方法。该方法是通过采用真空磁控溅射镀膜和强流脉冲电子束辐射加热相结合的方法在超高强铝合金的表面形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的合金化层，属于材料表面改性技术领域。

背景技术

早在20世纪30年代，人们就开始研究超高强度铝合金，但由于该系合金存在严重的腐蚀现象而未得到实际应用。直到20世纪40年代初，Cu、Cr和Mn等元素的加入显著地改善了该系合金的抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能，美国和前苏联相继开发出7075超高强度铝合金，用于制造飞机部件。在7075合金的基础上，为了获得良好的综合性能，增加合金中Zn、Mg元素的含量，降低合金中的Fe和Si等杂质含量和提高合金元素Cu的含量及Zn/Mg比，分别成功的研制出了7178、7050、7150、7175、7475和7A55等超高强度铝合金，并成功的用于制造波音767、波音777和空客A310等飞机的结构件。到90年代末，美国、英国、日本等工业发达国家利用喷射成形技术开发出了含锌量在8%以上(最高达14%)，抗拉强度为760～810MPa，延伸率为8%～13%的新一代超高强度铝合金，用于制造交通运输领域的结构件及其他高应力结构。

国内超高强度铝合金的研究开发起步较晚：20世纪80年代初，东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制超高强度高韧铝合金。目前，在普通7XXX系铝合金的生产和应用方面已进入到实用化阶段，产品主要包括7A04、7075、7175和7050等超高强度铝合金，用于各种航空器结构件和汽车摩托车等交通运输方面的制造。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，超高强度铝合金产品因具有强度高、重量轻、加工性能好和尺寸稳定性能好等良好的综合机械性能特点，在航空、航天、兵器、汽车、机械制造、船舶及化学工业中的应用越来越广泛。超高强铝合金的表面的耐腐蚀和耐磨性也得到越来越多的关注和研究。

目前，在铝合金表面制备耐磨涂层的方法通常是在铝合金表面喷涂一层粘结底层，再喷涂氧化物陶瓷工作层，制备出Ni/Al-Al₂O₃、NiCrAl-Al₂O₃、Ni -Al₂O₃等复合涂层，但是这种方法制备出来的涂层结合强度低，并且表面容易形成氧化膜。发明人为李福泉等，授权公告号：CN 100549233A的发明专利，通过电弧辅助激光熔注陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面。发明人为郭志猛等、专利名称为“一种铝合金表面涂敷耐磨涂层的方法”，其授权公告号：CN 100408724A，其公开了通过在反应原料中加入过量的铝，利用自蔓延反应放出的热量使表面的铝表面的氧化膜熔解，在离心力的作用下将氧化物分离。该方法只适合管类构件的内表面获得耐磨涂层，并且因铝合金的导热作用，难以使铁铝金属间化合物与铝基体良好结合。发明人为孙荣禄等、授权公告号：CN 100491593A的发明专利，公开了一种高能密度激光重熔表面熔覆SiC/Al-Si粉末的铝合金表面强化方法，在铝合金基体上获得表面质量良好、高耐磨和高硬度的强化涂层。然而以上这些方法都是采用陶瓷粉末来提高铝合金的耐磨性，不能从本质上解决高熔点陶瓷层带来的结合界面裂纹和开裂的问题。为了避免陶瓷的影响，田永生等发明了一种铝合金表面原位生成铝化物强化层的方法，其授权公告号为CN101532141A，通过将一定比例的镍钛合金粉末与聚乙烯醇溶液混合后，喷涂于铝合金基材表面，并利用激光扫描获得附有强化层的铝合金基材，进而大幅度提高铝合金的耐磨性能。

目前，超高强度铝合金的耐腐蚀层制备方法以阳极氧化为主。然而铝合金阳极氧化工艺复杂，容易受到化学反应池中多种化学和物理因素的影响导致耐腐蚀性能不稳定，并且阳极氧化工艺不符合当前的环保和节能要求。发明人为胡益民等、授权公告号为CN 101693995A的发明专利，采用化学反应法在铝合金表面形成了具有一定纳米厚度的含钴元素的钝化层和喷涂聚合物保护层提高了铝合金表面的防腐蚀特性。胡永俊等（授权公告号：CN 101319316 B）发明了一种不经过浸锌处理在铝合金表面化学镀镍的工艺，解决了工艺复杂、耐腐蚀性能差的问题。

强流脉冲电子束( HCPEB )是近年来发展起来的一种新型高效表面处理技术，是以加速电子为能量载体的新型高能密度荷电粒子束流。强流脉冲电子束比脉冲离子束易于引出和控制，装置简单可靠；在相同加速电压下，电子束射程远，有利于形成较厚的改性层。强流脉冲电子束照射金属材料时不存在脉冲激光束的能量反射问题，能量吸收率受材料成份和表面形态的影响小。强流脉冲电子束是在真空环境中完成，可有效抑制材料的高温氧化和污染等问题。因此，强流脉冲电子束表面处理能得到传统的表面处理技术所不能达到的改性效果，在材料表面改性、表面合金化等方面都有很好的应用前景。尽管许多研究者采用表面喷涂或化学反应法提高铝合金耐腐蚀性，激光熔覆提高铝或铝合金表面耐磨性等进行了大量的研究，然而没有人采用真空磁控溅射镀合金膜和强流脉冲电子束辐射加热相结合的方法对超高强铝合金表面进行合金化改性的研究。

发明内容

本发明的目的在于将提高铝合金耐磨性和耐蚀性Cu和Cr等高熔点合金元素通过真空感应熔炼法制备Cu-Cr合金靶材，然后采用强流脉冲电子束设备对表面真空磁控溅射镀Cu-Cr合金膜的超高强铝合金进行表面合金化处理的超高强度铝合金表面合金化的处理方法；经处理后，在超高强铝合金基体的表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好，与超高强铝合金基体有良好结合力的合金化层。

本发明的技术方案如下：超高强度铝合金表面合金化的处理方法，其包括如下步骤：（1）真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20 wt.% 的Cu-Cr合金铸锭，去掉表皮并锯断成圆片状，圆片状Cu-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在磁控溅射设备的靶材装置上；

（2）用砂纸对超高强铝合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，吹干其表面，吹干后试样的表面；将表面干净的超高强铝合金装在专用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；

（3）开启磁控溅射镀膜设备，抽真空至P<1×10^-3Pa，在超高强铝合金基材的表面镀2~10 μm 厚度的Cu-Cr合金膜；

（4）将表面镀好Cu-Cr合金膜的超高强铝合金放入到强流脉冲电子束设备中，启动强流脉冲电子束设备，抽真空至P<8×10^-4Pa后，采用强流脉冲电子束辐射加热镀膜超高强铝合金表面进行电子束表面合金化处理，经处理后在铝合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增强层；处理参数为：加速电压为10-40keV，脉冲间隔为10～60秒，脉冲次数为5～50次。

进一步的特征是：在磁控溅射设备抽真空后，向真空室内充入氩气。

Cr 的重量含量为5%。

相对于现有技术，本发明铝合金表面合金化改性的方法，具有以下有益效果：

1、在铝合金表面形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好的Cu-Cr合金化层，该合金化层与铝合金基体有良好结合力。

2、有效提高铝合金表面强度，提高铝合金表面耐磨性和耐蚀性。

具体实施方式

本发明铝合金表面合金化改性的方法，其步骤为：

1．真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20 wt.% 的Cu-Cr合金铸锭，去掉表皮（车掉外皮）并锯断成圆片状，圆片状Cu-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在抽真空的磁控溅射设备的靶材装置上；

2．用砂纸（如金相砂纸）对超高强铝合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，吹干其表面（可用电吹风），吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。将表面干净的超高强铝合金装在专用的夹具上，并装入到磁控溅射设备真空室中；

3．开启磁控溅射镀膜设备，抽真空至P<1×10^-3Pa，在超高强铝合金基材的表面镀2~10 μm 厚度的Cu-Cr合金膜；根据不同的要求，Cu-Cr合金膜的厚度可以选取3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；

4．将表面镀好Cu-Cr合金膜的超高强铝合金放入到强流脉冲电子束设备中（如RITM-2M强流脉冲电子束设备），启动强流脉冲电子束设备，抽真空至P<8×10^-4Pa后，采用强流脉冲电子束辐射加热镀膜超高强铝合金表面进行电子束表面合金化处理，经处理后在铝合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增强层。处理参数为：加速电压为10-40keV，脉冲间隔为10～60秒，脉冲次数为5～50次。

Cr 的重量含量为3~20%，可以选取的具体含量为3%、5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%等。加速电压为10 keV、20 keV、3 0 keV、40 keV等；脉冲间隔为10秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒等；脉冲次数为5次、8次、10次、12次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次、35次、40次、45次、50次等，都能满足本发明的要求。

在磁控溅射镀膜设备抽真空后，向真空室内充入保护性气体（如氩气等惰性气体、氮气等）。

实施例1：

采用将重量百分比为95：5的紫铜块和铬块放入到中频真空感应熔炼炉内，抽真空至P＝4.0×10^-3Pa后，打开中频电源进行感应加热熔化，待合金完全熔化后，浇注到直径为70 mm的水冷铜坩埚中。将浇注好的CuCr5合金铸锭车去外皮，并锯断成圆片状，对圆片状的CuCr5合金进行表面打磨处理，光滑平整并清洗干净后装入到真空磁控溅射设备的靶材装置上，用于磁控溅射镀膜的CuCr5合金靶材。用金相砂纸对7A04超高强铝合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，用电吹风吹干，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。将表面干净的7A04超高强铝合金装在配用的夹具上，放入真空磁控溅射镀膜设备的真空室内，抽真空至真空度P＝9.0×10^-4Pa后，然后向真空室内充入氩气（最好为纯度为99.99％的高纯氩气），氩气的流量为0.4 L/min，启动磁控溅射设备，进行镀CuCr5合金膜，溅射时间为10min，镀膜厚度约6 μm。将镀好膜的7A04超高强铝合金装入到RITM-2M强流脉冲电子束设备真空室配用的夹具上，抽真空至真空度P＝6.0×10^-4Pa后，启动RITM-2M强流脉冲电子束设备，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。RITM-2M强流脉冲电子束设备的加载电压为20keV，脉冲间隔为30秒，脉冲次数为15次。

实施例２：

采用将重量百分比为90：10的紫铜块和铬块放入到中频真空感应熔炼炉内，抽真空至P＝2.0×10^-3Pa后，打开中频电源进行感应加热熔化，待合金完全熔化后，浇注到直径为70mm的水冷铜坩埚中。将浇注好的CuCr10合金铸锭车去外皮，并锯断成圆片状，对圆片状的CuCr10合金进行表面打磨处理，光滑平整并清洗干净后装入到真空磁控溅射设备的靶材装置上，用于磁控溅射镀膜的CuCr10合金靶材。用金相砂纸对7A04超高强铝合金的表面进行打磨处理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干净，并用乙醇溶液滴在试样的表面，用电吹风吹干，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。将表面干净的7A04超高强铝合金装在配用的夹具上，放入真空磁控溅射镀膜设备的真空室内，抽真空至真空度P＝8.0×10^-4Pa后，然后向真空室内充入纯度为99.99％的高纯氩气，氩气的流量为0.3 L/min，启动磁控溅射设备，进行镀CuCr5合金膜，溅射时间为15min，镀膜厚度约8 μm。将镀好膜的7A04超高强铝合金装入到RITM-2M强流脉冲电子束设备真空室专用的夹具上，抽真空至真空度P＝5.0×10^-4Pa后，启动RITM-2M强流脉冲电子束设备，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。RITM-2M强流脉冲电子束设备的加载电压为25 keV，脉冲间隔为45秒，脉冲次数为30次。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.超高强度铝合金表面合金化的处理方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为3~20 wt.% 的Cu-Cr合金铸锭，去掉表皮并锯断成圆片状，圆片状Cu-Cr合金的表面进行打磨处理，光滑平整并清洗干净后固定安装在磁控溅射设备的靶材装置上；

2.根据权利要求1所述超高强度铝合金表面合金化的处理方法，其特征在于：在磁控溅射设备抽真空后，向真空室内充入氩气。

3.根据权利要求1所述超高强度铝合金表面合金化的处理方法，其特征在于：Cr 的重量含量为5%。