CN105441769B - 一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法 - Google Patents

一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法；所述合金以摩尔份数计，包括如下成分：14~22份Co、14~22份Cr、1‑3份Al、14~22份Si、14~22份Fe、1~10份Ti、14~22份Mn、1~3份B和1~3份La；所述方法先将铝合金基材清洗并喷砂处理，用等离子喷涂设备将多主元合金粉末喷涂在铝合金基材表面，最后用CO2激光器对等离子喷涂表面进行重熔处理，制得。本发明多主元合金涂层利用了多主元合金的高熵效应、缓慢扩散效应、纳米相强化、超高晶格畸变和“鸡尾酒效应”等特点，有利于保持合金的高韧性，制得的涂层具有高强度、耐磨损等特点。

Description

一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法
技术领域
本发明属于材料表面处理和强化技术领域，具体涉及一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法。
背景技术
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的材料之一，铝合金具有密度小、易加工、热膨胀系数低、热导率高、比刚度和比强度高等诸多优异性能；因此在日常生产和生活以及航空、汽车、高铁、发动机活塞、光学仪器、导弹镶嵌结构等领域取得了广泛应用。但随着工业生产的进一步发展，对铝合金的表面性能提出了更高的要求，耐磨性显得尤为重要。
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。如李福泉等（CN100549233C）通过电弧辅助激光熔注陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面；郭志猛等在“一种铝合金表面涂敷耐磨涂层的方法” （CN 100408724C）中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。然而上述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。
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。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。强流脉冲电子束比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。如“超高强度铝合金表面合金化的处理方法”（授权公告号：CN 102691040A），但是电子束表面处理得到的表面改性层太薄，对于工作在剧烈摩擦环境的铝合金零件表面不能起到足够的保护。
孙荣禄等（授权公告号：CN 100491593C）发明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。但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。
多主元合金作为台湾学者提出的合金设计理念，突破了传统合金只含有一种或两种主要合金元素的限制。无论是在学术研究方面，还是在商业应用方面，多主元合金都具有巨大的潜力。通过合理的成分设计，多主元合金可以具有优异的性能，甚至一系列优异性能的组合，包括硬度、强度、耐磨性、电化学性、抗高温氧化性、热稳定性、电磁性等各方面的性能；因此多主元合金也被看作具有吸引力的涂层材料。但是如何针对不同的基体材料设计合理的成分和比例，是现在研究中的一大难题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种多主元合金及其用于对铝合金表面处理的方法，使该涂层与基体冶金结合，能够提高铝合金的耐磨损性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多主元合金，以摩尔份数计，包括如下成分：14~22份Co、14~22份Cr、1-3份Al、14~22份Si、14~22份Fe、1~10份Ti、14~22份Mn、1~3份B和1~3份La。
上述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）将铝合金基材用丙酮或无水乙醇进行清洗，并进行喷砂粗化处理；
2）按照上述配方配制多主元合金粉末，用等离子喷涂设备将配好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的铝合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-100~+500目；喷涂过程中进行氩气保护，喷涂厚度为0.3~0.6 mm；
3）使用最大功率为≥700W的CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，在铝合金表面制得所述多主元合金涂层；其中，控制流量为1.5-2.5 L/min，调节激光功率范围为400-600 W，扫描速率为3-5 mm/s，光斑直径为3-4.5 mm。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备的多主元合金涂层利用了多主元合金的高熵效应、缓慢扩散效应、纳米相强化、超高晶格畸变和“鸡尾酒效应”等特点，通过各元素的协同配伍作用，保持了合金的高韧性，使制得的涂层具有高强度、耐磨损等特点，通过实验验证，覆有该涂层的铝合金相对耐磨性是铝合金基体的3.2~3.5倍，取得了意想不到的技术效果。
2、本发明在铝合金表面采用喷涂-激光重熔方法制备多主元合金涂层，结合重熔处理，利用热源将合金中最易熔化的成分熔化，产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透，熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织，孔隙减少甚至消失，改善了涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量，促进不同元素的均匀熔合，发挥出设计成分的协同配伍效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。下述实施例中使用的化学药品如无特殊说明，即为普通市售产品。
实施例1
一、一种多主元合金，以摩尔份数计，包括如下成分：14份Co、16份Cr、1份Al、20份Si、20份Fe、5份Ti、19份Mn，2份B，3份La。
二、上述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）对ZL102铝合金基材用丙酮进行清洗；为了提高多主元合金涂层和铝合金基材之间的结合强度，清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2）用等离子喷涂设备将配比好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的铝合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200~+350目；喷涂过程中进行氩气保护，厚度0.3 mm。
3）采用最大功率为5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高的多主元合金涂层；其中，控制流量为2.0 L/min，调节激光功率为420W，扫描速率为5 mm/s，光斑直径为4.5 mm，搭接率为30%。
将本实施例制得的具有多主元合金涂层的铝合金和ZL102铝合金基体，在空气中与GCr15对摩1小时，结果显示带有涂层的铝合金相对耐磨性是ZL102铝合金基体的3.5倍。
实施例2
一、一种多主元合金，以摩尔份数计，包括如下成分：14份Co，16份Cr，1份Al，20份Si，20份Fe，5份Ti，19份Mn，2份B，3份La。
二、上述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）对6061变形铝合金铝合金基材用无水乙醇进行清洗；清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2）用等离子喷涂设备将配比好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的铝合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200~+350目；喷涂过程中进行氩气保护，厚度0.3 mm。
3）采用最大功率为5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高的多主元合金涂层；其中，控制流量为2.0 L/min，调节激光功率为580W，扫描速率为3 mm/s，光斑直径为3.5 mm，搭接率为30%。
将本实施例制得的具有多主元合金涂层的铝合金和6061变形铝合金铝合金基体，在空气中与GCr15对摩1小时，结果显示带有涂层的铝合金相对耐磨性是6061变形铝合金铝合金基体的3.2倍。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将铝合金基材用丙酮或无水乙醇进行清洗，并进行喷砂粗化处理；
2)以摩尔份数计配制多主元合金粉末，包括如下成分：14～22份Co、14～22份Cr、1-3份Al、14～22份Si、14～22份Fe、1～10份Ti、14～22份Mn、1～3份B和1～3份La；
用等离子喷涂设备将配好的多主元合金粉末喷涂在步骤1)处理后的铝合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200～+350目；喷涂过程中进行氩气保护，喷涂厚度为0.3～0.6mm；
3)使用最大功率为≥700W的CO2激光器对步骤2)处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，在铝合金表面制得所述多主元合金涂层；其中，控制流量为1.5-2.5L/min，调节激光功率范围为400-600W，扫描速率为3-5mm/s，光斑直径为3-4.5mm。
2.根据权利要求1所述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，以摩尔份数计配制多主元合金粉末，包括如下成分：14份Co、16份Cr、1份Al、20份Si、20份Fe、5份Ti、19份Mn、2份B和3份La。
3.根据权利要求1所述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，步骤2)中所述喷涂厚度为0.3mm。
4.根据权利要求1所述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3)中调节激光功率为580W。
5.根据权利要求1所述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3)中扫描速率为3mm/s。
6.根据权利要求1所述多主元合金用于对铝合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3)中光斑直径为3.5mm。
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