CN104805450A

CN104805450A - 三相铝钛铜微米颗粒增强型铝合金防护涂层及制备方法

Info

Publication number: CN104805450A
Application number: CN201510123266.XA
Authority: CN
Inventors: 陈竹; 黎向锋; 左敦稳; 王宏宇; 李建忠; 陈冠宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: CN104805450B

Abstract

一种三相微米颗粒增强型铝合金防护涂层及制备方法，其特征是将微米Al粉、Ti粉和Cu粉按一定比例制备成三相微米颗粒增强的金属基复合粉体，采用激光熔覆的方式将复合粉体熔覆在铝合金表面，对熔覆后的铝合金涂层进行磨削淬火，将磨削淬火后的铝合金及其涂层放入液氮中进行深冷处理，最后将深冷处理后的铝合金涂层进行两次低温回火。本发明的铝合金防护涂层具有高硬度、高强度、耐磨及耐腐蚀等优异性能。

Description

三相铝钛铜微米颗粒增强型铝合金防护涂层及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金涂层及制备方法，尤其是一种生成金属间化合物的铝合金防护层及制备方法，具体地说是一种三相金属颗粒增强型铝合金防护涂层及制备方法。

背景技术

众所周知，以铝合金为代表的航空构件工作条件日趋恶劣，提高铝合金构件表面硬度和耐磨性已成为亟需解决的问题。采用激光熔覆技术基材表面制备高性能防护涂层已成为解决这一问题的有效手段。

金属间化合物具有密度低、硬度高、弹性模量高、耐磨性好、高抗氧化性好等优点，已成为航天航空领域最具发展前景的轻质材料，是目前与航空构件适应的极具潜力的一类防护涂层。

激光熔覆技术和磨削淬火技术是机械领域中两种新型的加工技术，分别在制备纳米颗粒增强的复合材料涂层领域和材料表面改性领域中得到广泛应用。深冷处理是热处理工艺在冷却过程中的延续，是以液氮为制冷剂在低于-130℃的温度对材料进行处理的方法。该方法能够改变材料的力学性能，可在不降低材料的强度及硬度的情况下，显著提高材料的韧性，尤其是材料的耐磨性，使其具有广阔的应用前景。

据申请人所知，目前国内外相关文献关于Al-Ti-Cu三相颗粒增强复合涂层研究非常少，尤其是采用激光熔覆技术、磨削淬火技术以及深冷处理技术在铝合金基体表面制备微米Al、Ti、Cu颗粒增强的复合涂层材料更是处于空白。因此，研究和开发一种采用激光熔覆技术、磨削淬火技术以及深冷处理技术在铝合金基体上制备微米Al、Ti、Cu三相颗粒增强的复合材料涂层，对于解决在航空构件上制备高性能防护涂层所面临的技术难题具有重要的理论意义和现实意义。

发明内容

本发明的目的针对航空铝合金构件表面硬度低，耐磨性较差等缺陷，发明一种三相铝钛铜颗粒增强型铝合金防护涂层的制备方法

本发明的技术方案之一是：

一种三相铝钛铜颗粒增强型钛合金防护涂层，其特征是它主要由微米Al粉体、微米Ti粉体和微米Cu粉体组成，其质量百分比为：微米Al粉体13%~15%，微米Ti粉体76%~80%，微米铜粉体5%~10%，各组分之和为100%。

所述的最佳的微米Al粉体粒度为50μm~74μm、微米Ti粉体的粒度为50μm~74μm、微米Cu粉体的粒度为50μm ~74μm。

本发明的技术方案之二是：

一种三相铝钛铜颗粒增强型钛合金防护涂层的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1，铝合金基体表面的预处理：工序为抛光-喷砂-清洗-吹干，首先采用金相砂纸将铝合金表面氧化膜除掉，采用喷砂机对铝合金表面进行喷砂预处理，以提高基体表面粗糙度和清洁度，增大微观表面积，再经丙酮清洗，并在无水乙醇中超声清洗至少5分钟后，冷风吹干，备用；

步骤2，微米复合粉体的制备：将微米Al粉、Ti粉和Cu粉，按照设定的比例，利用球磨机进行机械混合，控制球磨速度、球磨时间和球料比，得到均匀的浆料，对浆料进行真空干燥得到三相颗粒增强的金属基微米复合粉体；

步骤3，激光熔覆：采用预置式或者同轴送粉将步骤2中所得的金属基微米复合粉体熔覆在步骤1中处理好的铝合金基体表面，形成厚度不小于0.25mm的激光熔覆层，控制激光熔覆时的激光功率为1500~2000W，光斑直径为2mm~4mm，扫描速度为200mm/min~600mm/min；

步骤4，磨削：采用砂轮对激光熔覆后的铝合金表面的激光熔覆层进行干磨，磨削方式为顺磨，控制砂轮速度15m/s~25m/s，工件转速10m/s~25m/s；磨削深度：0.01mm~0.05mm；

步骤5，深冷处理；在30min内将磨削或利用磨削温度进行淬火后的铝合金放入液氮中进行深冷处理，液氮的温度为-140℃~-196℃，降温速度0.4-0.6℃/min，保温5h~10h后，以0.8-1.5℃/min回升至室温；

步骤6，低温回火：将深冷处理后的铝合金防护涂层放入低温回火炉中，回火温度为150-250℃，回火时间1~3h后，以0.4-0.6℃/min冷却至室温；

经上述步骤制备所得的三相铝钛铜颗粒增强型铝合金防护涂层中各组分的质量百分比为：微米Al粉体13%~15%，微米Ti粉体76%~80%，微米铜粉体5%~10%，各组分之和为100%。

所述的铝合金基体表面预处理时分别用粒度号为W28，W20，W14和W10的金相砂纸打磨铝合金表面，控制打磨后的表面粗糙度在Ra6.3微米以上；再用丙酮清洗，再于无水乙醇中超声清洗至少5分钟，以去除表面残余氧化物和油污杂质。

所述的砂轮为白玉刚砂轮，砂轮粒度为60#~80#，砂轮直径为200mm~300mm。

所述的微米Al粉体粒度为50μm~74μm，微米Ti粉体的粒度为50μm~74μm，微米Cu粉体的粒度为50μm~74μm。

所述的球磨时球磨速度为400-600r/min，球磨时间1.5h以上，球料比为5:1。

所述的低温回火进行两次或以上。

本发明的有益效果：

(1) 本发明实现了在铝合金表面制备具有高性能的三相铝钛铜颗粒增强的防护涂层，涂层组织细密，分布均匀（见图2），有效提高了铝合金的表明性能。

(2) 本发明在制备出的铝合金防护涂层的同时又进一步改善了整个涂层的硬度及耐磨性，使得最终的涂层具备高硬度、耐磨等优异性能，有效地提高了其在恶劣化境下的工作能力，具有很强的工程应用价值。

(3) 本发明在激光熔覆技术基础上，进一步采用了磨削淬火技术以及深冷处理技术来制备和改善铝合金防护涂层，开拓和丰富了磨削淬火技术和深冷处理技术的应用领域。

(4) 本发明的铝合金防护涂层性能指标见下表：其表面显微硬度可达455HV_0.2，约为铝合金(118HV_0.2)基体的3.86倍。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2 是本发明的铝钛铜防护涂层金相图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

一种三相铝钛铜颗粒增强型铝合金防护涂层的制备方法，如图1所示，其关键是先对牌号为：7050铝合金表面进行预处理，然后制备微纳米复合粉体，最后通过激光熔覆、磨削淬火、深冷处理以及两次低温回火得到高硬度、高强度以及优异耐磨性等性能的防护涂层。具体步骤如下：

1、铝合金表面的预处理：先用W28 金相砂纸打磨平整，再用W20，W14，W10 砂纸依次打磨，目的是去除铝合金表面氧化膜，利用喷砂机对铝合金表面进行喷砂预处理，使铝合金表面保持一定的粗糙度，Ra6.3微米以上，有利于增强涂层的结合力，最后将打磨后的铝合金用丙酮清洗，再于无水乙醇中超声清洗至少10分钟后，冷风吹干，备用；

2、微米复合粉体的制备：首先将76g微米Ti粉体，14g微米Al粉体和10g微米铜粉体加入乙醇溶液进行球磨混合，球磨2h，球料比为6：1，使之成为均匀的浆料，最后对浆料进行真空干燥得到三相颗粒增强的微米金属复合粉体。

3、激光熔覆：采用压片预置式或者同轴送粉法将步骤(2)中的微米金属复合粉体熔覆在步骤(1)中处理好的铝合金表面，所使用的激光功率控制在1500~2000W，光斑直径为2mm~4mm，扫描速度为400mm/min~600mm/min；

4、磨削（淬火）：采用砂轮（白玉刚砂轮，砂轮粒度为60#~80#，砂轮直径为200mm~300mm）对熔覆后的铝合金涂层进行干磨，其中磨削方式为顺磨，砂轮速度15m/s~25m/s；工件转速10m/s~25m/s；磨削深度：0.01mm ～ 0.05mm，磨削结束后在30分钟内直接进入下一步的深冷处理或利用磨削产生的温度进行淬火处理。

5、深冷处理：将磨削（或磨削淬火）后的铝合金在30min 内放入液氮中进行深冷处理，液氮的温度为-140℃~-196℃，降温速度0.5℃ /min，保温5h 后，以1℃/min 回升至室温。

6、低温回火：将深冷处理后的铝合金防护涂层放入低温回火炉中，回火温度100℃~200℃，回火时间1h 后，以0.5℃ /min 冷却至室温。重复低温回火两次或以上即得到所需的防护涂层，本发明处理后的带有防护涂层的铝合金表面显微硬度可达450HV_0.2，约为铝合金(118HV_0.2)基体的3.81倍。防护涂层的金相图如图2所示。

实施例二。

一种三相铝钛铜颗粒增强型铝合金防护涂层的制备方法，其关键是先对牌号为：7050的铝合金基体表面进行预处理，然后制备微纳米复合粉体，最后通过激光熔覆、磨削淬火、深冷处理以及两次低温回火得到高硬度、高强度以及优异耐磨性等性能的防护涂层。具体步骤如下：

1、铝合金表面的预处理：先用W28 金相砂纸打磨平整，再用W20，W14，W10 砂纸依次打磨，目的是去除铝合金表面氧化膜，利用喷砂机对铝合金表面进行喷砂预处理，使铝合金表面保持一定的粗糙度，有利于增强涂层的结合力，最后将打磨后的铝合金用丙酮清洗，再于无水乙醇中超声清洗5分钟后，冷风吹干，备用；

2、微米复合粉体的制备：首先将80g微米Ti粉体，13g微米Al粉体和7g微米铜粉体加入乙醇溶液进行球磨混合，球磨时间为1.5h，球料比为5：1，使之成为均匀的浆料，最后对浆料进行真空干燥得到三相颗粒增强的金属复合粉体。

4、磨削（淬火）：采用砂轮（白玉刚砂轮，砂轮粒度为60#~80#，砂轮直径为200mm~300mm）对熔覆后的铝合金涂层进行干磨，其中磨削方式为顺磨，砂轮速度15m/s~25m/s；工件转速10m/s~25m/s；磨削深度：0.01mm ～ 0.05mm，必要时可利用磨削产生的温度进行淬火处理。

5、深冷处理：将磨削（或认做削淬火）后的铝合金在30min 内放入液氮中进行深冷处理，液氮的温度为-140℃~-196℃，降温速度0.4℃ /min，保温10h 后，以1.5℃/min 回升至室温。

6、低温回火：将深冷处理后的铝合金防护涂层放入低温回火炉中，回火温度100℃~200℃，回火时间3h 后，以0.4℃ /min 冷却至室温。低温回火共进行两次。即得到所需的防护涂层，经本发明处理后的带有防护涂层的铝合金表面显微硬度可达455HV_0.2，约为铝合金(118HV_0.2)基体的3.86倍。防护涂层的金相图与图2相似。

实施例三。

一种三相铝钛铜颗粒增强型钛合金防护涂层的制备方法，其关键是先对铝合金（牌号可为7050）表面进行预处理，然后制备微纳米复合粉体，最后通过激光熔覆、磨削淬火、深冷处理以及两次低温回火得到高硬度、高强度以及优异耐磨性等性能的防护涂层。具体步骤如下：

1、铝合金表面的预处理：先用W28 金相砂纸打磨平整，再用W20，W14，W10 砂纸依次打磨，目的是去除铝合金表面氧化膜，利用喷砂机对铝合金表面进行喷砂预处理，使铝合金表面保持一定的粗糙度，有利于增强涂层的结合力，最后将打磨后的铝合金用丙酮清洗，再于无水乙醇中超声清洗8分钟后，冷风吹干，备用；

2、微米复合粉体的制备：首先将80g微米Ti粉体，15g微米Al粉体和5g微米铜粉体加入乙醇溶液进行球磨混合，球磨时间为3h，球料比为4：1使之成为均匀的浆料，最后对浆料进行真空干燥得到三相颗粒增强的金属复合粉体。

5、深冷处理：将磨削淬火后的铝合金在30min 内放入液氮中进行深冷处理，液氮的温度为-140℃~-196℃，降温速度0.6℃ /min，保温8h 后，以0.8℃/min 回升至室温。

6、低温回火：将深冷处理后的铝合金防护涂层放入低温回火炉中，回火温度100℃~200℃，回火时间2h 后，以0.5℃ /min 冷却至室温。低温回火共进行两次。即得到所需的防护涂层，经本发明处理后的带有防护涂层的铝合金表面显微硬度可达452HV_0.2，约为铝合金(118HV_0.2)基体的3.83倍。防护涂层的金相图与图2相似，变化不大。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种三相铝钛铜颗粒增强型钛合金防护涂层，其特征是它主要由微米Al粉体、微米Ti粉体和微米Cu粉体组成，其质量百分比为：微米Al粉体13%~15%，微米Ti粉体76%~80%，微米铜粉体5%~10%，各组分之和为100%。

2.根据权利要求1所述的三相铝钛铜颗粒增强型钛合金防护涂层，其特征是所述的微米Al粉体粒度为50μm~74μm、微米Ti粉体的粒度为50μm~74μm、微米Cu粉体的粒度为50μm ~74μm。

3.一种权利要求1所述的三相铝钛铜微米颗粒增强型铝合金防护涂层的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的铝合金基体表面预处理时分别用粒度号为W28，W20，W14和W10的金相砂纸打磨铝合金表面，控制打磨后的表面粗糙度在Ra6.3微米以上；再用丙酮清洗，再于无水乙醇中超声清洗至少5分钟，以去除表面残余氧化物和油污杂质。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的砂轮为白玉刚砂轮，砂轮粒度为60#~80#，砂轮直径为200mm~300mm。

6.根据权利要求3 所述的方法，其特征是所述的微米Al粉体粒度为50μm~74μm，微米Ti粉体的粒度为50μm~74μm，微米Cu粉体的粒度为50μm~74μm。

7.根据权利要求3 所述的方法，其特征是所述的球磨时球磨速度为400-600r/min，球磨时间1.5h以上，球料比为5:1。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的低温回火进行两次或以上。