CN105543840B - 一种表面铝硅合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面铝硅合金的制备方法，其特征在于：首先将铝板或铝合金板进行表面清洁处理后均匀涂敷硅颗粒；然后将脉冲激光或者脉冲激光电弧复合热源作用于涂层表面，逐行扫描并自然冷却，使单点熔池与周边相邻熔池重叠搭接形成稳定的连续熔池，在样品的表面形成铝硅合金层；最后经过搅拌摩擦加工处理，最终获得表层厚度为1～10mm、硅颗粒体积分数为5～50％的致密表面铝硅合金材料；所获得铝硅合金材料中，硅颗粒细小均匀，与铝基体结合良好。

Description

一种表面铝硅合金的制备方法
技术领域
本发明涉及铝硅合金生产制备的技术领域，特别涉及一种表面铝硅合金的制备方法。
背景技术
在工业生产过程中，机械零件的表面最容易发生摩擦磨损，导致关键部件失效。通过表面改性技术在铝合金表层制备铝硅材料可以综合优良的铝合金加工成型性和铝硅合金耐磨性，有效改善机械构件表面抗磨损性能，大大提高其使用寿命。表面铝硅合金中硅颗粒的形态、尺寸及分布状况是影响其耐磨性的关键因素，分布不均匀的粗大硅相容易从较软的铝基体上脱落，使合金的耐磨性无法得到充分的发挥。因此，细化和均匀化硅相是提高该类材料性能最有效的途径。与传统表面热加工方法相比，激光或者激光电弧复合热源熔覆和合金化可以在所需的表层深度实现铝和硅的冶金结合，同时利用激光快速加热和冷却的特性实现组织细化。但是，由于铝硅合金微观组织控制困难，激光合金化过程中出现的主要问题包括：局部硅颗粒聚集粗化、强化层中易形成裂纹、气孔和疏松。
搅拌摩擦加工是从搅拌摩擦焊演变而来的一种材料改性和复合材料制备加工方法，其原理是利用搅拌头所造成的加工区域材料的剧烈塑性变形和塑形金属流动，使通过机械或者冶金方式添加的合金颗粒在铝合金基体材料中分散，实现微观组织的致密化、均匀化和细化，从而可以获得高性能合金材料。
发明内容
本发明旨在提供一种通过脉冲激光或者脉冲激光和电弧复合热源加工和搅拌摩擦加工制备表面铝硅合金的方法，用于制备硅颗粒细小、分布均匀的铝硅合金材料，并能简化工艺流程，降低生产成本，提高生产效率，稳定产品性能。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明表面铝硅合金的制备方法，其特点在于包括如下步骤：
(1)首先将铝板或铝合金板进行表面清洁处理，获得清洁样品；然后，将硅颗粒加入挥发性有机溶剂中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆涂敷在清洁样品表面，并干燥处理，在样品表面形成硅颗粒涂层；
(2)当硅颗粒涂层厚度≤2mm时，按如下方式处理：
将脉冲激光作用于样品硅颗粒涂层表面，激光束在表面进行逐行扫描(示意图如图1所示)，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；
当硅颗粒涂层厚度＞2mm时，按如下方式处理：
将脉冲激光和电弧热源结合作为复合热源同时作用于样品硅颗粒涂层表面，复合热源在表面进行逐行扫描(示意图如图2所示)，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；
(3)采用搅拌摩擦加工方法对样品表面的铝硅合金层进行固相机械搅拌，获得具有细小均匀硅颗粒的致密表面铝硅合金。
具体的加工参数为：
当硅颗粒涂层厚度≤2mm时，所用脉冲激光的参数为：平均输出功率为100～600W，脉冲频率为10～50Hz，扫描速度为1～3mm/s，脉宽为1～5ms，焊接电流50～200A。
当硅颗粒涂层厚度＞2mm时，所用脉冲激光和电弧热源的参数为：
脉冲激光：平均输出功率300～800W，脉冲频率为10～60Hz，扫描速度为1～5mm/s，脉宽为2～7ms，焊接电流100～250A；
电弧热源：焊接电流10～120A，焊接电压10～30V。
在以脉冲激光作用于样品硅颗粒涂层表面的过程中，采用纯氩气对熔池进行保护，气流量为3～10L/min。
单个脉冲熔池的重叠搭接率为70～80％，相邻扫描道间的重叠搭接率为40～60％。
所述搅拌摩擦加工的步骤和参数为：将样品固定在搅拌摩擦机床工作台上，用模具钢或耐热合金加工成搅拌工具，搅拌工具在材料的铝硅合金层的搅拌加工前进速度为20～200mm/min，搅拌工具的旋转速度是400～1500rpm/min，针对材料的整个表层经过1～2次逐个区域的搅拌，相邻搅拌加工道次之间搭接量为40～50％。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明充分发挥了激光或者激光电弧复合热源表面熔敷和搅拌摩擦材料改性的各自优点，所制备表面合金材料通过表面熔敷使得硅颗粒和铝基体达到良好的冶金结合，再通过后续的搅拌摩擦加工消除冶金缺陷，细化组织。最终通过两种加工方法的结合可以获得硅颗粒均匀细小的表面铝硅合金材料。
附图说明
图1为本发明以脉冲激光作用于样品硅颗粒涂层表面的示意图；
图2为本发明以脉冲激光和电弧复合热源同时作用于样品硅颗粒涂层表面的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例以纯铝合金为基体材料，尺寸为100×150mm平板，厚度6mm。
(1)首先对铝板表面进行清洁处理，去除表面污染物和氧化物；然后，将10～20μm硅颗粒加入甲醇中，混合均匀得涂浆；将涂浆涂敷在清洁样品表面，并在烘干箱内低温干燥处理，在样品表面形成厚度为0.5mm的硅颗粒涂层；
(2)使用YAG脉冲激光在样品表面进行逐行扫描，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；
脉冲激光的平均输出功率为250W，脉冲频率为30Hz，扫描速度为1mm/s，脉宽为3ms，焊接电流150A；相邻前后熔池重叠搭接率为80％，相邻扫描道间的重叠搭接率为60％；在以脉冲激光作用于样品涂层表面的过程中，采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池保护，气流量为5L/min。
(3)采用搅拌摩擦加工方法对样品表面的铝硅合金层进行固相机械搅拌，即获得表面铝硅合金成品，具体步骤为：将样品固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有标准螺纹的搅拌头进行搅拌摩擦加工，所用搅拌工具采用H13模具钢制作，搅拌针长度为2.5mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2.5°；搅拌工具旋转速度范围为800rpm/min，搅拌摩擦加工速度为100mm/min，压入量0.1mm；相邻搅拌加工道次的搭接率为40％，对整个加工区域共进行1轮完整的搅拌摩擦加工。
所得表面铝硅合金材料层厚度约为2.5mm，硅颗粒体积分数为18％，硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。
实施例2：
本实施例以5051变形铝合金为基体材料，尺寸为100×150mm平板，厚度10mm。
(1)首先对铝合金板表面进行清洁处理，去除表面污染物和氧化物；然后，将10～20μm硅颗粒加入甲醇中，获得混合均匀的涂浆；将涂浆涂敷在清洁样品表面，并在烘干箱内低温干燥处理，在样品表面形成厚度为1.5mm的硅颗粒涂层；
(2)使用YAG脉冲激光在样品表面进行逐行扫描，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；
脉冲激光的平均输出功率为500W，脉冲频率为30Hz，扫描速度为1mm/s，脉宽为5ms，焊接电流200A；相邻前后熔池重叠搭接率为80％，相邻扫描道间的重叠搭接率为60％；在以脉冲激光作用于样品涂层表面的过程中，采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池保护，气流量为5L/min。
(3)利用搅拌摩擦加工方法对样品表面的铝硅合金层进行固相机械搅拌，即获得表面铝硅合金成品，具体步骤为：将样品固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有标准螺纹的搅拌头进行搅拌摩擦加工，所用搅拌工具采用H13模具钢制作，搅拌针长度为4mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2.5°；搅拌工具旋转速度范围为800rpm/min，搅拌摩擦加工速度为100mm/min，压入量0.1mm；相邻搅拌加工道次的搭接率为40％，对整个加工区域共进行1轮完整的搅拌摩擦加工。
所得表面铝硅合金材料层厚度约为4mm，硅颗粒体积分数为30％，硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。
实施例3：
本实施例以A356铝合金为基体材料，尺寸为100×150mm平板，厚度16mm。
(1)首先对铝合金板表面进行清洁处理，去除表面污染物和氧化物，
然后，将10～20μm硅颗粒加入甲醇中，混合均匀得涂浆；将涂浆涂敷在清洁样品表面，并在烘干箱内低温干燥处理，在样品表面形成厚度为3mm的硅颗粒涂层；
(2)使用YAG脉冲激光和TIG电弧复合热源在样品表面进行逐行扫描，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，实现整个表面的激光改性处理，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层。
脉冲激光平均输出功率为750W，脉冲频率为60Hz，扫描速度为1.5mm/s，脉宽为7ms，焊接电流250A，TIG电弧的焊接电流为60A，焊接电压为10～15V；相邻前后熔池重叠搭接率为70％，相邻扫描道间重叠搭接率为40％；在以脉冲激光作用于样品涂层表面的过程中，采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池保护，气流量为10L/min。
(3)利用搅拌摩擦加工方法对样品表面的铝硅合金层进行固相机械搅拌，即获得表面铝硅合金成品，具体步骤为：将样品固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有标准螺纹的搅拌头进行搅拌摩擦加工，所用搅拌工具采用高温合金制作，搅拌针长度为5mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为3°；搅拌工具旋转速度范围为1500rpm/min，搅拌摩擦加工速度为150mm/min，压入量0.25mm；相邻加工道次的搭接率为50％，对整个加工区域共进行2轮完整的搅拌摩擦加工。
所得表面铝硅合金材料层厚度约为5mm，硅颗粒体积分数为40％，硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。

Claims (4)

1.一种表面铝硅合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先将铝板或铝合金板进行表面清洁处理，获得清洁样品；然后，将硅颗粒加入挥发性有机溶剂中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆涂敷在清洁样品表面，并干燥处理，在样品表面形成硅颗粒涂层；
(2)当硅颗粒涂层厚度≤2mm时，按如下方式处理：
将脉冲激光作用于样品硅颗粒涂层表面，激光束在表面进行逐行扫描，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；所用脉冲激光的参数为：平均输出功率为100～600W，脉冲频率为10～50Hz，扫描速度为1～3mm/s，脉宽为1～5ms，焊接电流50～200A；
当硅颗粒涂层厚度＞2mm时，按如下方式处理：
将脉冲激光和电弧热源结合作为复合热源同时作用于样品硅颗粒涂层表面，复合热源在表面进行逐行扫描，单个脉冲熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使材料整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，在样品的表面形成铝硅合金层；所用脉冲激光和电弧热源的参数为：
脉冲激光：平均输出功率300～800W，脉冲频率为10～60Hz，扫描速度为1～5mm/s，脉宽为2～7ms，焊接电流100～250A；电弧热源：焊接电流10～120A，焊接电压10～30V；
(3)采用搅拌摩擦加工方法对样品表面的铝硅合金层进行固相机械搅拌，获得具有细小硅颗粒的致密表面铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的表面铝硅合金的制备方法，其特征在于：在以脉冲激光作用于样品硅颗粒涂层表面的过程中，采用纯氩气对熔池进行保护，气流量为3～10L/min。
3.根据权利要求1所述的表面铝硅合金的制备方法，其特征在于：单个脉冲熔池的重叠搭接率为70～80％，相邻扫描道间的重叠搭接率为40～60％。
4.根据权利要求1所述的表面铝硅合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述搅拌摩擦加工的方式为：将样品固定在搅拌摩擦机床工作台上，用模具钢或耐热合金加工成搅拌工具，搅拌工具在样品的铝硅合金层的搅拌摩擦加工速度为20～200mm/min，搅拌工具的旋转速度是400～1500rpm/min，针对样品的整个表层经过1～2次逐个区域的搅拌，相邻搅拌加工道次之间搭接量为40～50％。
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