CN103921493B

CN103921493B - 一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料及其制备方法

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Publication number: CN103921493B
Application number: CN201410152981.1A
Authority: CN
Inventors: 陆伟; 黄平; 凌敏; 贾敏; 雷浩; 严彪
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: CN103921493A

Abstract

本发明涉及一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料及其制备方法，该复合材料包括铝合金基体及喷涂在铝合金基体表面厚度为30～80μm的NiAl涂层，铝合金基体材料成分包含：6～10wt％的铁，2～6wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质；制备方法为：熔炼Al-Fe中间合金与Al-Re中间合金；以纯铝锭、Al-Fe中间合金及Al-Re中间合金熔炼后浇注冷却脱模得到包含6～10wt％铁与2～6wt％混合稀土的铝合金铸锭；将合金铸锭破碎清洗后喷射成形制备铝合金圆锭，并热压致密化，获得铝合金基体，采用等离子喷涂技术在铝合金基体上制备NiAl涂层。与现有技术相比，本发明制备的铝合金基体/NiAl涂层复合材料具有涂层均匀、涂层与基体结合强度高、导电性能好、内阻小、耐腐蚀性好、导热性能好等优点。

Description

一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料及其制备方法。

背景技术

钠硫电池是一种性能优异的二次电池，具有许多独到的优点，主要体现在：①比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高，其理论比能量为760WhKg^-1，实际已大于300WhKg^-1，是铅酸电池的3～4倍；②功率密度高，用于储能的单体电池最大容量达到650安时，功率120W以上，将多个电池单体组合后可以形成小的模块，其功率通常为数十千瓦，可直接用于储能，根据电力输出的具体要求再将小模块进行叠加就可形成不同功率大小的储能站；③充放电效率高，由于采用固体电解质，没有自放电现象，充电效率几乎可达100％，且充电时间短；④环境友好，电池在工作中无振动无噪声，没有气体反应产生，预期有较长的循环使用寿命，且采用全密封结构，没有污染排放；⑤结构简单，容易制造，维修方便且成本低；⑥材料的来源丰富，价格便宜等。由于钠硫电池具有众多的优点，目前已经成为最有发展前景的静态储能电池之一，近年来在包括日本、美国、欧洲的电力系统中的应用得到快速发展，并且在输配电系统的有、无功支持以及多功能电能储存系统中有巨大的应用前景。

钠硫电池近年来发展非常迅速，但也面临着很多的瓶颈和技术难点，其中钠硫电池硫极容器的腐蚀是引起电池性能下降、影响电池寿命的重要因素之一。电池硫极中熔融的硫及反应产物多硫化钠具有强腐蚀性，它与金属容器能反应形成结构松散的金属硫化物，影响电池的物理及化学性能，造成电池性能退化。

大量的研究表明，用耐腐蚀涂层包覆的铝作为硫极集流体，在中心硫结构电池中取得了较好的效果。首先，铝金属易加工，很容易实现跟电池其它部件的连接；其次在铝上制备耐腐蚀涂层，不用担心涂层缺陷，即使铝衬底通过缺陷暴露在多硫化钠融盐中，也不会引起严重腐蚀从而导致涂层剥落等问题。

此外，由于过渡族金属元素和斓系元素合金元素在液态时固溶度高，固态时固溶度非常低并有较低的扩散系数，因此通过快速凝固技术能够有效提高这些元素在铝中的极限固溶度，在合金中能形成足够数量的弥散颗粒，形成耐热铝合金。与采用传统的铸造或铸造变形加工工艺制备的材料相比，其组织明显细化、析出相更加细小且分布更弥散，并且偏析得到了有效控制，从而大幅度地提高了合金的各项力学性能，与传统的快速凝固粉末冶金工艺相比，可以直接形成成品或者半成品，省去了粉末制备、储存运输、烧结等多道生产工序，因此能有效地减少材料的氧化，并且将材料的制备成本大幅度降低，因此喷射成型工艺是制备高性能Al-Fe系合金的一种非常有潜力的方法。

在探索新的钠硫电池集流体耐腐蚀涂层材料的过程中，经过分析发现，NiAl金属间化合物具有高熔点(1638℃)、低密度(5.86g/cm³)、较高的热导率(78W/mk)以及优良的高温抗氧化性能，因而是一种具有极大潜力的高温涂层材料，同时，Ni在硫及硫化钠熔盐中比Fe具有更好的耐腐蚀性，腐蚀产物硫化镍的电阻率也比硫化亚铁低。在热喷涂应用中，镍铝常被用作粘结底层，在工作层和基体间起屏蔽作用，以保护基体防止环境氧化和腐蚀，同时热喷涂镍铝的反应过程是一放热过程，喷涂时熔化粒子到达基体时能与基体发生熔合，形成微焊接，能增加工作涂层与基体的结合强度。并且NiAl材料的电阻率较低，因此，NiAl涂层作为一种钠硫电池集流体的耐腐蚀涂层的可选材料之一值得探讨。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种涂层均匀、结合力强、导电性能好、内阻小、耐腐蚀性能好的铝合金基体/NiAl涂层复合材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，该复合材料包括铝合金基体及喷涂在铝合金基体表面的NiAl涂层；所述的NiAl涂层的厚度为30～80μm；

所述的铝合金基体材料成分包含：6～10wt％的铁，2～6wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-(6～10)Fe-(2～6)Re；其中Re表示混合稀土；

所述的NiAl涂层由以下成分组成：Al17-20wt％，Fe、Cu、C、O共计＜0.8wt％，余量为Ni。

作为优选，所述的铝合金基体材料包含：8wt％的铁，4wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-8Fe-4Re。

所述的混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32～33wt％、Ce62～63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。

作为优选，所述的混合稀土成分包含：La32.6wt％、Ce62.6wt％、O1.6wt％、F0.3wt％、Fe0.54wt％、Al0.39wt％、Mg0.24wt％、P0.17wt％、Cl0.16wt％、Zn0.12wt％及不可避免的杂质。

一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)由于铁的熔点较高，稀土金属在提炼过程中也容易氧化，所以为减少元素烧损及氧化，首先以纯铝锭和纯铁棒为原料使用中频感应炉熔炼Al-Fe中间合金，其中Al-Fe中间合金中Fe的含量为20wt％，按元素组成表示为Al-20Fe；以纯铝锭和混合稀土为原料使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-Re中间合金，Re表示混合稀土，Al-Re中间合金中Re的含量为10wt％，按元素组成表示为Al-10Re；

所述的纯铝锭为纯度不低于99.95wt％的工业级铝锭，所述的纯铁棒为铁含量不低于99.99wt％的直径为5mm的工业纯铁棒，所述的混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32～33wt％、Ce62～63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质；

(2)按6～10wt％的铁，2～6wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质的成分配比，取纯铝锭、Al-Fe中间合金于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，混合均匀，之后浇注冷却脱模得到包含6～10wt％铁与2～6wt％混合稀土的铝合金铸锭；

(3)铝合金铸锭清洗：将熔炼得到的铝合金铸锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超声清洗，取出后晾干待用；

(4)喷射成形制备铝合金圆锭：将步骤(3)中清洗得到的块体合金中频感应加热至1100～1300℃，使其融化，然后以N₂为雾化气体，在雾化压强为0.8-1.5Mpa下，喷射成形制备铝合金圆锭，具体过程如下：

将步骤(3)中清洗得到的块体合金放入雾化沉积设备的坩埚中，其中坩埚使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流管，对块体合金进行中频感应加热至1100～1300℃，使块体合金融化，融化后的熔体在惰性气体保护下，通过与双层非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管进行雾化成形，雾化气体为N₂，雾化压强为0.8～1.5Mpa，熔体在导流管内质量流率为1.7～1.8kg/min，雾化距离为400～500mm，在雾化的同时，底部沉积盘以每分钟45～120转的转速旋转，熔体沉积在底部沉积盘上，得到铝合金圆锭；

(5)热压致密化：对步骤(4)得到的铝合金圆锭进行热压致密化，热压致密化的加压方式为单向加压，热压压强设置为300～500Mpa，热压温度为250～450℃，保温时间1～3h，获得致密化的喷射沉积铝合金，即铝合金基体；

(6)制备NiAl涂层：在制备NiAl涂层之前，对铝合金基体进行表面处理，方法如下：首先对铝合金基体进行清洗以除去表面的油污及其他污垢，然后利用喷砂机使用刚玉砂对铝合金基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，提高NiAl涂层与铝合金基体间的结合强度。以镍包铝放热型包覆粉末为原料，成分组成为：Al17-20wt％，Fe、Cu、C、O共计＜0.8wt％，余量为Ni；采用等离子喷涂技术在铝合金基体上制备NiAl涂层，NiAl涂层的厚度为30～80μm，得到铝合金基体/NiAl涂层复合材料。制备NiAl涂层的喷涂工艺为：以氩气作为主气，氢气为次气，电压为130～170V，电流为300～330A，喷涂距离为100～150mm，氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.3～0.7MPa。

对制备得到的铝合金基体/NiAl涂层复合材料进行性能检测，包括：(1)涂层的组织形貌表征；(2)显微硬度测试；(3)结合强度测试；(4)涂层的电阻率；(5)静态腐蚀测试。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用金属铝作为复合材料的主要原料，它不仅价格低廉、易加工成型、质轻，电导率也非常高。

(2)由于镧-铈混合稀土在铝基体中有小的溶解度和低的扩散速度，而且能形成高体积分数的二元和三元金属间化合物，起弥散强化作用，使合金具有较高的强度和热稳定性，因此本发明在设计合金成分时，加入斓-铈混合稀土，利用过镀族金属元素和斓系元素在液态时固溶度高，固态时固溶度非常低并有较低的扩散系的特性，通过快速凝固技术能够有效提高斓-铈混合稀土元素在铝中的极限固溶度，在合金中能形成足够数量的弥散颗粒，制备获得铝合金基体。

(3)本发明采用喷射成型技术制备包含6～10wt％铁与2～6wt％混合稀土的铝合金材料，将金属的雾化过程与成型过程相结合，实现大尺寸快速凝固材料的一次成型，直接从液态金属中制取具有快速凝固组织、整体致密的高性能材料。

(4)本发明首先制备Al-Fe中间合金与Al-Re中间合金，然后再以Al-Fe中间合金与Al-Re中间合金为原料制备包含6～10wt％的铁、2～6wt％的混合稀土、余量为铝的铝合金，这种工艺的优点在于能够更好的向Al中加入Fe与Re，以防止Fe与Re的烧损与氧化。

(5)本发明采用喷射成形工艺制备包含6～10wt％的铁、2～6wt％的混合稀土、余量为铝的铝合金，避免粉末氧化、工艺简单且成本低。

(6)本发明采用喷射成型工艺制备铝合金作为基体材料，其具有较高的强度和热稳定性，采用等离子喷涂技术制备NiAl涂层，获得的铝合金基体/NiAl涂层复合材料具有以下优点：1.导电性能好，涂层均匀，内阻小；2.涂层与基体结合力强，NiAl涂层粘接力高；3.热喷涂加工方便，工艺简单；4.具有一定耐腐蚀性，满足钠硫电池使用要求；5.导热性能好，适用于钠硫电池高温使用环境。

附图说明

图1为本发明中喷射成形使用设备的结构示意图；

图2为实施例1中腐蚀前NiAl涂层表面形貌电镜图；

图3为实施例1中腐蚀前NiAl涂层截面形貌电镜图；

图4为实施例1中腐蚀后NiAl涂层表面形貌低倍电镜图；

图5为实施例1中腐蚀后NiAl涂层表面形貌高倍电镜图；

图6为实施例1中NiAl涂层腐蚀前的XRD图；

图7为实施例1中NiAl涂层腐蚀后的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

将纯度不低于99.5wt％的纯铝锭、纯铁棒以及块状镧-铈混合稀土(成分见表1)以适量的质量百分比配制成分为Al-20Fe的Al-Fe中间合金及成分为Al-10Re的Al-Re中间合金，各计5公斤；使用中频感应炉熔炼Al-Fe中间合金，使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-Re中间合金。然后按照Al-8Fe-4Re的成分配比，取适量的纯铝锭、Al-Fe中间合金置于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，并电磁搅拌混合均匀，之后浇注冷却脱模得到铸造Al-8Fe-4Re合金铸锭。将熔炼得到的合金铸锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将清洗得到的块体合金放入自行研制的大型雾化沉积设备(如图1所示)的坩埚中，中频感应加热至熔体温度为1100～1200℃，N₂雾化压强为1.3Mpa，制备Al-8Fe-4Re合金。使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流，导流管直径为3mm，采用双层非限制式气流雾化喷嘴，熔体质量流率经过测算约为1.78kg/min，雾化距离为400mm，底部沉积盘转速为每分钟45转。采用SYE-2000型压力试验机以及自制的加热温控装置和模具对沉积锭进行热压致密化，加压方式为单向加压，热压压强设置为500Mpa，热压温度为250℃，保温时间2h，获得致密化的喷射沉积Al-8Fe-4Re合金。将获得的Al-8Fe-4Re合金基材进行清洗除油、表面喷砂增加粗糙度处理后，采用等离子喷涂技术在已完成表面处理的材料上制备NiAl涂层，NiAl涂层的厚度为37.2μm，得到铝合金基体/NiAl涂层复合材料。主要的喷涂工艺参数如下：以氩气作为主气，次气为氢气，电压为150V，电流为315A，喷涂距离为125mm。氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.5MPa。

本实施例中喷射成形使用设备的结构如图1所示，腔体1的顶部外由上到下依次设有感应加热坩埚4与中间包5，感应加热坩埚4与中间包5的外侧设有保护气氛罩3，中间包5的出口接导流管6，导流管6的出口处设有双层非限制式气流雾化喷嘴7，导流管6的出口端位于双层非限制式气流雾化喷嘴7的中间，双层非限制式气流雾化喷嘴7与雾化器管路2连接，导流管6与双层非限制式气流雾化喷嘴7之间为分离式配合方式，底部沉积盘10设在腔体1内部，熔融金属在感应加热坩埚4中感应加热后，倾倒入中间包5，经过导流管6被双层非限制式气流雾化喷嘴7雾化，雾化金属8进入到腔体1内后，沉积在底部沉积盘10上，形成沉积坯圆锭9。

表1镧-铈混合稀土成分组成

对本实施例制得的铝合金基体/NiAl涂层复合材料进行性能检测，NiAl涂层表面形貌如图2所示，截面形貌如图3所示。本实施例制得的NiAl涂层使用后被腐蚀后的表面形貌如图4、图5所示。由图2～图5看出，NiAl涂层在被腐蚀前后表面形貌差别不大，说明NiAl涂层具有良好的耐腐蚀性。本实施例制得的NiAl涂层的XRD图如图6所示，本实施例制得的NiAl涂层使用后被腐蚀后的XRD图如图7所示。

本实施例制得的铝合金/NiAl涂层复合材料的材料性能如表2与表3所示。

表2铝合金/NiAl涂层复合材料的硬度值(HV0.3)与结合强度

表3铝合金/NiAl涂层复合材料的方块电阻值

实施例2

将纯度不低于99.5wt％的纯铝锭、纯铁棒以及块状镧-铈混合稀土(成分见表1)以适量的质量百分比配制成分为Al-20Fe、Al-10Re中间合金，各计5公斤；使用中频感应炉熔炼Al-20Fe中间合金，使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-10Re中间合金。然后按照Al-8Fe-4Re的成分配比，取适量的纯铝锭、Al-Fe中间合金置于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，并电磁搅拌混合均匀，之后浇注冷却脱模得到铸造Al-8Fe-4Re合金铸锭。将熔炼得到的合金铸锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将清洗得到的块体合金放入自行研制的大型雾化沉积设备的坩埚中，中频感应加热至熔体温度为1100℃，N₂雾化压强为1.3Mpa，制备Al-8Fe-4Re合金。使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流，导流管直径为3mm，采用双层非限制式气流雾化喷嘴，熔体质量流率经过测算约为1.78kg/min，雾化距离为450mm，底部沉积盘转速为每分钟90转。采用SYE-2000型压力试验机以及自制的加热温控装置和模具对沉积锭进行热压致密化，加压方式为单向加压，热压压强设置为500Mpa，热压温度为300℃，保温时间1.5min，获得致密化的喷射沉积Al-8Fe-4Re合金。将获得的Al-8Fe-4Re合金基材进行清洗除油、表面喷砂增加粗糙度处理后，采用等离子喷涂技术在已完成表面处理的材料上制备NiAl涂层，NiAl涂层的厚度为38.5μm，主要的喷涂工艺参数如下：以氩气作为主气，次气为氢气，电压为150V，电流为315A，喷涂距离为125mm。氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.5MPa。

本实施例制得的铝合金/NiAl涂层复合材料的材料性能如表4与表5所示。

表4铝合金/NiAl涂层复合材料的硬度值(HV0.3)与结合强度

表5铝合金/NiAl涂层复合材料的方块电阻值

本实施例制备的铝合金基体/NiAl涂层复合材料具有以下优点：1.导电性能好，涂层均匀，内阻小；2.涂层与基体结合力强，NiAl涂层粘接力高；3.热喷涂加工方便，工艺简单；4.具有一定耐腐蚀性，满足钠硫电池使用要求；5.导热性能好，适用于钠硫电池高温使用环境。

实施例3

将纯度不低于99.5wt％的纯铝锭、纯铁棒以及块状镧-铈混合稀土以适量的质量百分比配制成分为Al-20Fe、Al-10Re中间合金，各计5公斤；使用中频感应炉熔炼Al-20Fe中间合金，使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-10Re中间合金。然后按照Al-8Fe-4Re的成分配比，取适量的纯铝锭、Al-Fe中间合金置于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，并电磁搅拌混合均匀，之后浇注冷却脱模得到铸造Al-8Fe-4Re合金铸锭。将熔炼得到的合金铸锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将清洗得到的块体合金放入自行研制的大型雾化沉积设备的坩埚中，中频感应加热至熔体温度为1200～1300℃，N₂雾化压强为1.1Mpa，制备Al-8Fe-4Re合金。使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流，导流管直径为3mm，采用双层非限制式气流雾化喷嘴，熔体质量流率经过测算约为1.78kg/min，雾化距离为500mm，底部沉积盘转速为每分钟120转。采用SYE-2000型压力试验机以及自制的加热温控装置和模具对沉积锭进行热压致密化，加压方式为单向加压，热压压强设置为500Mpa，热压温度为350℃，保温时间1h，获得致密化的喷射沉积Al-8Fe-4Re合金。将获得的Al-8Fe-4Re合金基材进行清洗除油、表面喷砂增加粗糙度处理后，采用等离子喷涂技术在已完成表面处理的材料上制备NiAl涂层，NiAl涂层的厚度为36.4μm，主要的喷涂工艺参数如下：以氩气作为主气，次气为氢气，电压为150V，电流为315A，喷涂距离为125mm。氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.5MPa。

本实施例制得的铝合金/NiAl涂层复合材料的材料性能如表6与表7所示。

表6铝合金/NiAl涂层复合材料的硬度值(HV0.3)与结合强度

表7铝合金/NiAl涂层复合材料的方块电阻值

实施例4

一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，该复合材料包括铝合金基体及喷涂在铝合金基体表面的NiAl涂层；NiAl涂层的厚度为30.2μm；铝合金基体材料成分包含：6wt％的铁，2wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-6Fe-2Re；其中Re表示混合稀土。混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32wt％、Ce62wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。NiAl涂层由以下成分组成：Al17wt％，Fe、Cu、C、O共计0.7wt％，余量为Ni。

上述铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以纯铝锭和纯铁棒为原料使用中频感应炉熔炼Al-Fe中间合金，其中Al-Fe中间合金中Fe的含量为20wt％；以纯铝锭和混合稀土为原料使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-Re中间合金，Re表示混合稀土，Al-Re中间合金中Re的含量为10wt％；

纯铝锭为纯度不低于99.95wt％的工业级铝锭，纯铁棒为铁含量不低于99.99wt％的直径为5mm的工业纯铁棒；

(2)按6wt％的铁，2wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质的成分配比，取纯铝锭、Al-Fe中间合金于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，混合均匀，之后浇注冷却脱模得到包含6wt％铁与2wt％混合稀土的铝合金铸锭；

(4)喷射成形制备铝合金圆锭：将步骤(3)中清洗得到的块体合金中频感应加热至1100℃～1200℃，使其融化，然后以N₂为雾化气体，在雾化压强为0.8Mpa下，喷射成形制备铝合金圆锭，具体过程如下：

将步骤(3)中清洗得到的块体合金放入雾化沉积设备的坩埚中，其中坩埚使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流管，导流管直径为3mm，对块体合金进行中频感应加热至1100℃，使块体合金融化，融化后的熔体在惰性气体保护下，通过与双层非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管进行雾化成形，雾化气体为N₂，雾化压强为0.8Mpa，熔体在导流管内质量流率为1.7kg/min，雾化距离为400mm，在雾化的同时，底部沉积盘以每分钟45转的转速旋转，熔体沉积在底部沉积盘上，得到铝合金圆锭；

(5)热压致密化：对步骤(4)得到的铝合金圆锭进行热压致密化，热压致密化的加压方式为单向加压，热压压强设置为300Mpa，热压温度为250℃，保温时间1h，获得致密化的喷射沉积铝合金，即铝合金基体。

(6)制备NiAl涂层：在制备NiAl涂层之前，对铝合金基体进行表面处理，方法如下：首先对铝合金基体进行清洗以除去表面的油污及其他污垢，然后利用喷砂机使用刚玉砂对铝合金基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，提高NiAl涂层与铝合金基体间的结合强度。以镍包铝放热型包覆粉末为原料，成分组成为：Al17wt％，Fe、Cu、C、O共计0.7wt％，余量为Ni；采用等离子喷涂技术在铝合金基体上制备NiAl涂层，NiAl涂层厚度为30.2μm，得到铝合金基体/NiAl涂层复合材料。制备NiAl涂层的喷涂工艺为：以氩气作为主气，氢气为次气，电压为130V，电流为300A，喷涂距离为100mm，氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.3MPa。

本实施例制得的铝合金/NiAl涂层复合材料的材料性能如表8与表9所示。

表8铝合金/NiAl涂层复合材料的硬度值(HV0.3)与结合强度

表9铝合金/NiAl涂层复合材料的方块电阻值

实施例5

一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，该复合材料包括铝合金基体及喷涂在铝合金基体表面的NiAl涂层；NiAl涂层的厚度为80μm；该铝合金基体材料成分包含：10wt％的铁，4wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-10Fe-4Re；其中Re表示混合稀土。混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La33wt％、Ce63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。NiAl涂层由以下成分组成：Al20wt％，Fe、Cu、C、O共计0.6wt％，余量为Ni。

(1)首先以纯铝锭和纯铁棒为原料使用中频感应炉熔炼Al-Fe中间合金，其中Al-Fe中间合金中Fe的含量为20wt％；以纯铝锭和混合稀土为原料使用井式坩埚电阻炉熔炼Al-Re中间合金，Re表示混合稀土，Al-Re中间合金中Re的含量为10wt％；

(2)按10wt％的铁，4wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质的成分配比，取纯铝锭、Al-Fe中间合金于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，混合均匀，之后浇注冷却脱模得到包含10wt％铁与4wt％混合稀土的铝合金铸锭；

(4)喷射成形制备铝合金圆锭：将步骤(3)中清洗得到的块体合金中频感应加热至1300℃，使其融化，然后以N₂为雾化气体，在雾化压强为1.5Mpa下，喷射成形制备Al-10Fe-4Re铝合金圆锭，具体过程如下：

将步骤(3)中清洗得到的块体合金放入雾化沉积设备的坩埚中，其中坩埚使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流管，导流管直径为3mm，对块体合金进行中频感应加热至1200～1300℃，使块体合金融化，融化后的熔体在惰性气体保护下，通过与双层非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管进行雾化成形，雾化气体为N₂，雾化压强为1.5Mpa，熔体在导流管内质量流率为1.8kg/min，雾化距离为500mm，在雾化的同时，底部沉积盘以每分钟120转的转速旋转，熔体沉积在底部沉积盘上，得到Al-10Fe-4Re铝合金圆锭；

(5)热压致密化：对步骤(4)得到的Al-10Fe-4Re铝合金圆锭进行热压致密化，热压致密化的加压方式为单向加压，热压压强设置为500Mpa，热压温度为350℃，保温时间2h，获得致密化的喷射沉积Al-10Fe-4Re铝合金，即铝合金基体。

(6)制备NiAl涂层：在制备NiAl涂层之前，对铝合金基体进行表面处理，方法如下：首先对铝合金基体进行清洗以除去表面的油污及其他污垢，然后利用喷砂机使用刚玉砂对铝合金基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，提高NiAl涂层与铝合金基体间的结合强度。以镍包铝放热型包覆粉末为原料，成分组成为：Al20wt％，Fe、Cu、C、O共计0.6wt％，余量为Ni；采用等离子喷涂技术在铝合金基体上制备NiAl涂层，NiAl涂层的厚度为80μm，得到铝合金基体/NiAl涂层复合材料。制备NiAl涂层的喷涂工艺为：以氩气作为主气，氢气为次气，电压为170V，电流为330A，喷涂距离为150mm，氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.7MPa。

本实施例制得的铝合金/NiAl涂层复合材料的材料性能如表10与表11所示。

表10铝合金/NiAl涂层复合材料的硬度值(HV0.3)与结合强度

表11铝合金/NiAl涂层复合材料的方块电阻值

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，其特征在于，该复合材料包括铝合金基体及喷涂在铝合金基体表面的NiAl涂层；所述的NiAl涂层的厚度为30～80μm；

所述的铝合金基体材料成分包含：6～10wt％的铁，2～6wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，其特征在于，所述的铝合金基体材料包含：8wt％的铁，4wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，其特征在于，所述的混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32～33wt％、Ce62～63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。

4.根据权利要求3所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料，其特征在于，所述的混合稀土成分包含：La32.6wt％、Ce62.6wt％、O1.6wt％、F0.3wt％、Fe0.54wt％、Al0.39wt％、Mg0.24wt％、P0.17wt％、Cl0.16wt％、Zn0.12wt％及不可避免的杂质。

5.一种如权利要求1所述的铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)以纯铝锭和纯铁棒为原料熔炼Al-Fe中间合金，其中Al-Fe中间合金中Fe的含量为20wt％；以纯铝锭和混合稀土为原料熔炼Al-Re中间合金，Re表示混合稀土，Al-Re中间合金中Re的含量为10wt％；

(2)取纯铝锭、Al-Fe中间合金于中频感应炉中，熔化后再加入Al-Re中间合金，混合均匀，之后浇注冷却脱模得到包含6～10wt％铁与2～6wt％混合稀土的铝合金铸锭；

(4)喷射成形制备铝合金圆锭：将步骤(3)中清洗得到的块体合金中频感应加热至1100～1300℃，使其融化，然后以N₂为雾化气体，在雾化压强为0.8～1.5Mpa下，喷射成形制备铝合金圆锭；

(5)热压致密化：对步骤(4)得到的铝合金圆锭进行热压致密化，获得致密化的喷射沉积铝合金，即铝合金基体；

(6)制备NiAl涂层：以镍包铝放热型包覆粉末为原料，采用等离子喷涂技术在铝合金基体上制备NiAl涂层，得到铝合金基体/NiAl涂层复合材料。

6.根据权利要求5所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的纯铝锭为纯度不低于99.95wt％的工业级铝锭，所述的纯铁棒为铁含量不低于99.99wt％的直径为5mm的工业纯铁棒，所述的混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32～33wt％、Ce62～63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。

7.根据权利要求5所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中喷射成形制备铝合金圆锭的具体过程如下：

将步骤(3)中清洗得到的块体合金放入雾化沉积设备的坩埚中，其中坩埚使用氧化镁坩埚，坩埚底部为氮化硅导流管，对块体合金进行中频感应加热至1100～1300℃，使块体合金融化，融化后的熔体在惰性气体保护下，通过与双层非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管进行雾化成形，雾化气体为N₂，雾化压强为0.8～1.5Mpa，熔体在导流管内质量流率为1.7～1.8kg/min，雾化距离为400～500mm，在雾化的同时，底部沉积盘以每分钟45～120转的转速旋转，熔体沉积在底部沉积盘上，得到铝合金圆锭。

8.根据权利要求5所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中热压致密化的加压方式为单向加压，热压压强设置为300～500Mpa，热压温度为250～450℃，保温时间1～3h。

9.根据权利要求5所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中制备NiAl涂层使用的粉体为镍包铝放热型包覆粉末，成分组成为：Al17-20wt％，Fe、Cu、C、O共计＜0.8wt％，余量为Ni；

制备NiAl涂层的喷涂工艺为：以氩气作为主气，氢气为次气，电压为130～170V，电流为300～330A，喷涂距离为100～150mm，氩气作为送粉载气，送粉气压力为0.3～0.7MPa。

10.根据权利要求5所述的一种铝合金基体/NiAl涂层复合材料的制备方法，其特征在于，在制备NiAl涂层之前，对铝合金基体进行表面处理，方法如下：首先对铝合金基体进行清洗以除去表面的油污及其他污垢，然后利用喷砂机使用刚玉砂对铝合金基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，提高NiAl涂层与铝合金基体间的结合强度。