CN104651830A

CN104651830A - 铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法

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Publication number: CN104651830A
Application number: CN201510038537.1A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 王永田; 刘姝女
Original assignee: BEIJING HUADIAN HONGYANG TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: Beijing Guoneng Defeng Material Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104651830B

Abstract

一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法，属于表面工程领域。粉末原料的各组份重量百分含量为：石墨C粉：6-13.9％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉：余量。利用激光束熔覆本发明所述粉末材料，形成TiCx/AlNiYSi复合材料熔覆层。熔覆层与基体结合界面Al含量梯度变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成脆性相，从而使熔覆层与基体结合强度高。所用高功率半导体光纤耦合输出激光器的激光波长为980nm,在相同的熔覆功率下，其熔覆效率约为CO₂激光器的13倍。通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度在400-4000μm范围。具有制备成本较低、熔覆层耐磨性高、工艺较简单等优点，可显著延长铝合金部件的耐磨寿命和高速撞击下的抗毁伤能力。

Description

铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法

技术领域

本发明属于表面工程领域，特别是涉及一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法，在铝合金基体表面反应合成TiCx颗粒增强金属基复合材料熔覆层，利用激光熔覆法在铝合金基体上反应合成TiCx/AlNiYSi熔覆层的粉末材料和制备工艺。

背景技术

铝合金具有密度低、塑性高、抗腐蚀性能好等优点，在航空航天、汽车及其它机械制造、船舶及化学工业中已得到广泛应用。但铝合金具有熔点低(约660℃)、强度较低、硬度低、耐磨性差等缺点，而且难以用常规的热处理方法进行硬化处理，这些缺点限制了其应用范围。

对于航空航天用铝合金结构，如果在铝合金基体上制备陶瓷颗粒增强的熔覆层，就能在防护结构面密度基本不变的前提下，显著提高铝合金结构的抗高速或超高速撞击的能力。对于火电厂用铝合金风机叶片而言，冲蚀磨损是导致叶片失效的主要原因；需要在叶片表面制备耐磨涂层来延长叶片使用寿命。

热喷涂技术虽然可用于制备陶瓷颗粒增强涂层，但涂层存在结合强度较低(机械结合、结合强度仅10-40MPa)、孔隙率较高(2-12％)等局限性，难以满足严酷磨损环境下的涂层长寿命工作要求。

与喷涂、堆焊、等离子熔覆、气相沉积等技术相比，激光熔覆法具有稀释度小、组织致密、熔覆层与基体冶金结合等优点。但在铝合金基体上制备熔覆层，需要重点解决如下技术问题：(1)铝合金熔点低，而一些铝合金部件为薄壁结构；需要严格控制熔覆时铝合金部件的温度场，以预防铝合金部件变形或局部熔化而塌陷损坏。(2)熔覆时需要足够的能量密度击穿铝合金表面致密的氧化铝钝化膜，从而使熔覆层与铝合金基体达到冶金结合。(3)碳化物、硼化物陶瓷的熔点高达2000-3150℃，如采用直接熔覆陶瓷颗粒-金属混合粉末的方法，熔覆层中陶瓷颗粒偏聚、陶瓷相与粘结相界面结合强度低等问题难以避免。(4)铝合金的反射率对激光的波长很敏感，例如铝合金对波长为10.6μm的CO₂激光的反射率很高，在加工过程中激光能量大部分被表面所反射，如何提高铝对激光能量的吸收率成为激光熔覆过程中的一大难题。虽然可采用化学着色、火焰喷涂和表面粗糙化、涂料等方法增加吸收率,但效果不明显。(5)熔覆层易形成气孔。熔覆层内的气孔主要是由于熔化过程中产生的气体在快速凝固过程中来不及逸出而形成的。采用预敷法时,如粘结剂选用不当,也会在熔化中产生气体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法，利用高功率半导体光纤耦合输出激光器在铝合金基体表面原位合成TiCx(x表示C与Ti的原子比)陶瓷颗粒增强的TiCx/AlNiYSi熔覆层的粉末材料及其制备工艺。利用激光束熔覆本发明所述粉末材料，形成TiCx/AlNiYSi复合材料熔覆层。熔覆层与基体结合界面Al含量梯度变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成脆性相，从而使熔覆层与基体结合强度高。所用高功率半导体光纤耦合输出激光器的激光波长为980nm,在相同的熔覆功率下，其熔覆效率约为CO₂激光器的13倍。通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度在400-4000μm范围。

本发明所述熔覆层的粉末原料的各组份重量百分含量如下：

石墨C粉(粒度-200+400目,纯度≥99.5％,其中,-200+400目表示粉末粒度在400目至200目范围，)：6-13.9wt.％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉(粒度-100+325目)：余量；其中Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉末的成分为：Ti:30-65wt.％；Ni：5-10wt.％；Y：3-5wt.％；Si:0.8-3wt.％；La₂O₃:0.5-1wt.％；Al：余量。

为保证激光熔覆后熔覆层中所形成TiCx相的x在0.7-1范围。混合粉末中Ti、C重量比在2.8-4范围。

粉末原料中各组分作用如下：

在激光束作用下，Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉末达到熔点以上温度，Ti与C在高温下发生放热反应生成高硬度的TiCx相，Al、Ni、Y、Si反应形成AlNiYSi合金(即熔覆层中的连续相),La₂O₃作为掺杂相弥散分布在熔覆层中。通过Ni对Al的固溶强化作用和较高硬度的Al-Si化合物的形成，使熔覆层中连续相的高温强度和耐磨性显著提高，从而显著提高熔覆层的整体高温性能和耐磨性。Y的作用是提高铝合金基体与熔覆层结合界面的结合强度与韧性。Si的加入可提高熔覆层致密度，减少气孔的形成。La₂O₃的作用是细化晶粒，La₂O₃能弱化TiCx颗粒生长的方向性，可阻止粗大TiCx树枝晶的生长,从而达到细化陶瓷相及合金连续相晶粒尺寸的目的。

为了使粉末具有较好的球形度，本发明采用气雾化法制备Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉末，并利用筛分法对粉末进行粒度筛分，筛分后用于激光熔覆的粒度范围为-100+325目。

在铝合金部件上制备熔覆层的工艺步骤如下：

1、制备混合粉末

(1)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即：石墨C粉：6-13.9wt.％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉：余量。

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为130-150℃，干燥时间为3-4小时；

(3)利用混料机进行混料，混料时间5-7小时后，得到混合粉末。

2、制备熔覆层

本发明的技术可用于在厚度≥2mm的铝合金部件(如平板类、圆管类及叶片类部件)表面制备熔覆层。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用机械抛光方法对铝合金部件的待熔覆表面进行去污、除锈处理。

(2)配制预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，利用搅拌机搅拌固液混合物后形成预敷层浆料，各组分比例为：PVB胶：4-7wt.％；高纯酒精(纯度99.5％):40-60wt.％；混合粉末：余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于行星式浆料搅拌机内，搅拌10-20分钟，形成预敷层浆料。

(3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于铝合金部件表面，预敷层厚度约为400-1600μm。

(4)将具有预敷层铝合金部件在高温炉中干燥，干燥温度120-150℃，干燥时间为30-50分钟。

(5)将干燥后的铝合金部件安装在熔覆工作台上，利用半导体光纤耦合输出激光器制备熔覆层。为防止碳粉与合金粉末在熔覆过程中被氧化，激光熔覆时需在熔覆区域施加氩气保护。

激光熔覆为已有成熟技术，制备熔覆层的设备主要由半导体光纤耦合输出激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时激光器输出功率在1.2-2kW范围。熔覆时可采用激光头固定不动，数控设备驱动铝合金部件作直线、步进或旋转运动的方法，实现对预敷层的搭接熔覆。

激光熔覆预敷层后，所得熔覆层的平均厚度为200-800μm。重复步骤(3)-(5)1-4次，可得到平均厚度为400-4000μm的熔覆层。

本发明的优点为：利用高能量密度半导体光纤耦合激光器熔化混合粉末，在铝合金部件表面形成TiCx/AlNiYSi陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合,熔覆层与基体结合界面Al含量梯度变化，熔覆层表面硬度可达600-1100HV。本发明的方法具有制备成本较低、熔覆层耐磨性高、工艺较简单等优点，可显著延长铝合金部件的耐磨寿命和高速撞击下的抗毁伤能力。

附图说明

图1为熔覆层断面显微硬度曲线图。

图2为熔覆层断面扫描电镜照片。TiC_x陶瓷颗粒1。

具体实施方式

实施例：在5052铝合金板表面制备熔覆层

工艺步骤如下：

1、制备混合粉末

(1)石墨C粉(粒度-200+400目,纯度≥99.5％)：9wt.％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉(粒度-100+325目)：余量；其中Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉末的成分为：Ti:40wt.％；Ni：8wt.％；Y：4wt.％；Si:1wt.％；La₂O₃:0.6wt.％；Al：余量。

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为130℃，干燥时间为4小时；

(3)利用行星式球磨机进行混料，混料时间6小时后，得到混合粉末。

2、制备熔覆层

在尺寸为300mm×200mm×4mm的5052铝合金板表面制备面积为280mm×195mm、厚度为350μm的熔覆层。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用电动钢丝刷对铝合金部件的待熔覆表面进行去污、除锈处理。

(2)配制预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，各组分比例为：PVB胶：6wt.％；高纯酒精(纯度99.5％):60wt.％；混合粉末：余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于RM行星式浆料搅拌机内(料杯外径124mm、高度128.7mm)，搅拌20分钟(料杯自转速度与公转速度的比值为0.7)，形成预敷层浆料。

(3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于铝合金部件表面，使预敷层厚度约为900μm。

(4)将具有预敷层铝合金部件在高温炉中干燥，干燥温度150℃，干燥时间为50分钟。

(5)将干燥后的铝合金部件安装在用于平板熔覆的工作台上，利用半导体光纤耦合输出激光器制备熔覆层。为防止碳粉高温下被氧化，激光熔覆时在熔覆区域施加氩气保护。

制备熔覆层的设备主要由半导体光纤耦合输出激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时采用激光头固定不动，数控设备驱动铝合金部件作直线、步进运动的方法，从而实现对预敷层的搭接熔覆。

熔覆时激光器输出功率为1600W，激光光斑直径为2.2mm。采用多道激光扫描、搭接熔覆的方法制备熔覆层。激光束与铝合金板的相对运动速度为7mm/s，相邻两道熔覆层的搭接宽度1.2mm。激光熔覆预敷层后，所得熔覆层的平均厚度为450μm。

(6)重复步骤(3)-(5)四次，得到厚度为2250μm熔覆层，利用平面磨床对熔覆层进行表面抛光处理，得到厚度为2000μm的高光洁度熔覆层。

Claims

1.一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料，其特征在于，粉末材料的各组份重量百分含量如下：

石墨C粉：6-13.9％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉：余量；其中Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉末的成分为：Ti:30-65％；Ni：5-10％；Y：3-5％；Si:0.8-3％；La₂O₃:0.5-1％；Al：余量；激光熔覆后熔覆层中所形成TiCx相的x在0.7-1范围。混合粉末中Ti、C重量比在2.8-4范围。

2.根据权利要求1所述的粉末材料，其特征在于，石墨C粉的粒度-200+400目,纯度≥99.5％,其中,-200+400目表示粉末粒度在400目至200目范围；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉的粒度-100+325目。

3.一种权利要求1所述的铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的制备方法，其特征在于，

在铝合金部件上制备熔覆层的工艺步骤如下：

制备混合粉末

(1)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即：石墨C粉：6-13.9wt.％；Al-Ti-Ni-Y-Si-La₂O₃合金粉：余量；

(3)利用混料机进行混料，混料时间5-7小时后，得到混合粉末；

制备熔覆层：用于在厚度≥2mm的铝合金部件(如平板类、圆管类及叶片类部件)表面制备熔覆层；工艺步骤为：

1)利用机械抛光方法对铝合金部件的待熔覆表面进行去污、除锈处理；

2)配制预敷层浆料：在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，利用搅拌机搅拌固液混合物后形成预敷层浆料，各组分比例为：PVB胶：4-7wt.％；高纯酒精(:40-60wt.％；混合粉末：余量；将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于行星式浆料搅拌机内，搅拌10-20分钟，形成预敷层浆料；

3)用毛刷将2)中浆料涂覆于铝合金部件表面，预敷层厚度为400-1600μm；

4)将具有预敷层铝合金部件在高温炉中干燥，干燥温度120-150℃，干燥时间为30-50分钟；

5)将干燥后的铝合金部件安装在熔覆工作台上，利用半导体光纤耦合输出激光器制备熔覆层；激光熔覆时需在熔覆区域施加氩气保护；

制备熔覆层的设备包括半导体光纤耦合输出激光器和熔覆工作台；熔覆时激光器输出功率在1.2-2kW范围；熔覆时采用激光头固定不动，数控设备驱动铝合金部件作直线、步进或旋转运动，实现对预敷层的搭接熔覆；

激光熔覆预敷层后，所得熔覆层的平均厚度为200-800μm；重复步骤3)-5)1-4次，得到平均厚度为400-4000μm的熔覆层。