CN106086866A - 一种铝基碳化硅表层材料的制备方法 - Google Patents

一种铝基碳化硅表层材料的制备方法 Download PDF

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    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明公开了一种铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于：首先以钨极氩弧作为热源在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层，然后采用搅拌摩擦加工方法对铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的铝基碳化硅表层材料。本发明铝综合了钨极氩弧热源和搅拌摩擦加工的各自工艺优点：钨极氩弧电弧能量参数可以精确控制，加热过程稳定，能够利用“阴极雾化”作用及时清除铝表面难熔氧化物，并获得表层均匀的复合材料层；搅拌摩擦加工在固相条件下，通过材料的剧烈塑性变形和流动可以有效消除各种冶金缺陷，细化组织，促进增强相颗粒在合金层的均匀分布。

Description

一种铝基碳化硅表层材料的制备方法
技术领域
本发明涉及铝基碳化硅复合材料的制备技术领域，特别涉及一种铝基碳化硅表层材料的制备方法。
背景技术
碳化硅颗粒增强铝基复合材料由于具有高耐摩擦磨损性等优点，在电子信息、航空航天、国防和交通等领域占有了重要地位。实际上，机械部件的摩擦磨损通常发生在材料的表面，铝基碳化硅表层材料，一方面在提高其表面的硬度和耐磨损性能的同时可以保持铝合金内部良好的塑性和延展性，另一方面可以极大简化制备工艺和降低生产成本。因此，与铝基碳化硅整体复合材料相比，铝基碳化硅表层复合材料具有更重要的工程应用价值。目前，颗粒增强铝基表面复合材料层的主要制备方法有：激光熔覆、堆焊、热喷涂、气相沉积和搅拌摩擦加工等表面工程技术。激光熔覆技术是目前应用比较广泛的表面改性方法之一，但是激光参数控制困难、使用成本较高，且熔覆效率较低；堆焊和热喷涂是利用电弧等作为热源在基体材料表面形成具有特殊性能的复合层，成本低、工艺设备简单，但是复合层材料容易形成裂纹和气孔，铝基体与增强颗粒发生界面反应产生粗大脆性相，降低强化效果；气相沉积涂层厚度太小，对基体耐磨损性能提高不大。搅拌摩擦加工是一种新型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，从而可以获得高性能合金材料。作为一种固相加工技术，搅拌摩擦加工过程中增强相和基体之间较少发生有害的界面反应，加工区域残余应力和变形也很小，材料的性能可获得较大幅度提高。但是，目前通过表面铺粉或者钻孔填粉方式搅拌摩擦制备加工的材料中，强化相颗粒在铝基体内部不均匀。有报道提出通过增加加工道次和加工相邻区域搭叠量来解决颗粒分布均匀性问题，结果表明改善效果有限，同时增加了生产工序和成本，从而降低这种方法的实际工程应用价值。因此，在尽量减少强化相与基体反应的前提下，如何将碳化硅颗粒在铝基体中弥散分布成为了制备高性能铝基碳化硅表层材料的关键。
发明内容
本发明提供了一种铝基碳化硅表层材料的制备方法，旨在通过钨极氩弧(TIG)热源和搅拌摩擦加工相结合，来制备碳化硅颗粒细小、分布均匀的铝基碳化硅表层复合材料，并简化工艺流程、降低生产成本、提高生产效率。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明铝基碳化硅表层材料(厚度≤3mm)的制备方法，其特点在于包括如下步骤：
(1)对铝合金板进行表面清洁，然后在表面加工钻孔；将碳化硅颗粒加入挥发性有机溶剂中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆填入钻孔中并压实，然后进行干燥处理去除挥发性有机溶剂；
(2)以钨极氩弧(TIG)作为热源在所述铝合金板的表面进行逐行扫描，相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使铝合金板的整个表层逐个区域快速熔化，同时在钨极氩弧热源后侧将碳化硅粉末同步送入熔池中，用于补充由于铝和碳化硅界面反应造成的碳化硅粉末损失；最后自然冷却，在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层；
(3)采用搅拌摩擦加工对铝合金板表面的铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的致密铝基碳化硅表层材料。
上述制备方法中的具体加工参数为：
步骤(1)中钻孔的直径2mm、深度2～3mm、相邻钻孔间隔4～6.5mm。
TIG热源的加工参数为：焊接电流20～100A，焊接电压10～30V，焊接速度50～100mm/min，采用纯氩气对熔池进行保护，气流量为5～15L/min。相邻扫描道间的重叠搭接率为30～50％。
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，用耐热合金加工成搅拌工具，搅拌工具在材料表面的搅拌加工前进速度为20～100mm/min，搅拌工具的旋转速度是600～1200rpm/min，针对样品的整个表层经过2～3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：
本发明铝基碳化硅表层材料的制备方法，综合了钨极氩弧热源和搅拌摩擦加工的各自工艺优点：钨极氩弧电弧能量参数可以精确控制，加热过程稳定，能够利用“阴极雾化”作用及时清除铝表面难熔氧化物，并获得表层均匀的复合材料层；搅拌摩擦加工在固相条件下，通过材料的剧烈塑性变形和流动可以有效消除各种冶金缺陷，细化组织，促进增强相颗粒在合金层的均匀分布；因此，本发明通过钨极氩弧热源和搅拌摩擦加工两种工艺相结合，最终可以获得碳化硅颗粒均匀分布的铝基碳化硅表层复合材料。
附图说明
图1为本发明制备方法中步骤(2)以TIG热源进行加工的过程示意图。
图2为实施例1所制备样品的金相照片。
图3为实施例2所制备样品的金相照片。
图4为实施例3所制备样品的金相照片。
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：
本实施例以铝合金6061为基体材料(尺寸为100×150mm平板，厚度6mm)，制备铝基碳化硅表层材料，具体步骤如下：
(1)首先对铝合金板进行表面清洁，去除表面污染物和氧化物；然后在表面加工钻孔(钻孔直径2mm，深度2mm，间距6.5mm)；将粒径1～10μm的碳化硅颗粒加入甲醇中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆填入钻孔中并压实，然后在烘干箱内进行低温干燥处理去除甲醇；
(2)如图1所示，以钨极氩弧作为热源在铝合金板的表面进行逐行扫描，单个熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使铝合金板的整个表层逐个区域快速熔化，同时在钨极氩弧热源后侧将碳化硅粉末通过送粉装置同步送入熔池中，用于补充由于铝和碳化硅界面反应造成的碳化硅粉末损失；最后自然冷却，在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层；
TIG热源的加工参数为：焊接电流50A，焊接电压10～15V，焊接速度60mm/min；相邻扫描道间重叠搭接率为50％；碳化硅粉末同步送粉速度为40mg/s；采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池进行保护，气流量为6L/min。
(3)采用搅拌摩擦加工方法对铝合金板表面的铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的铝基碳化硅表层材料，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，所用搅拌工具的搅拌针长度为2.5mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2.5°；搅拌工具的旋转速度为900rpm/min，搅拌摩擦加工前进速度为80mm/min，压入量为0.1mm；相邻搅拌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。
如图2所示，本实施例所得铝基碳化硅表层材料的厚度约为2mm，碳化硅颗粒体积分数为7％，碳化硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。
实施例2
本实施例以铝合金6061为基体材料(尺寸为100×150mm平板，厚度10mm)，制备铝基碳化硅表层材料，具体步骤如下：
(1)首先对铝合金板进行表面清洁，去除表面污染物和氧化物；然后在表面加工钻孔(钻孔直径2mm，深度2.5mm，间距5mm)；将粒径1～10μm的碳化硅颗粒加入甲醇中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆填入钻孔中并压实，然后在烘干箱内进行低温干燥处理去除甲醇；
(2)如图1所示，以钨极氩弧作为热源在铝合金板的表面进行逐行扫描，单个熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使铝合金板的整个表层逐个区域快速熔化，同时在钨极氩弧热源后侧将碳化硅粉末通过送粉装置同步送入熔池中，用于补充由于铝和碳化硅界面反应造成的碳化硅粉末损失；最后自然冷却，在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层；
TIG热源的加工参数为：焊接电流70A，焊接电压10～15V，焊接速度80mm/min；相邻扫描道间重叠搭接率为50％；碳化硅粉末同步送粉速度为65mg/s；采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池进行保护，气流量为7L/min。
(3)采用搅拌摩擦加工方法对铝合金板表面的铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的铝基碳化硅表层材料，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，所用搅拌工具的搅拌针长度为2.5mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2.5°；搅拌工具的旋转速度为1000rpm/min，搅拌摩擦加工前进速度为100mm/min，压入量为0.1mm；相邻搅拌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。
如图3所示，本实施例所得所得铝基碳化硅表层材料的厚度约为2.5mm，碳化硅颗粒体积分数为12％，碳化硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。
实施例3
本实施例以铝合金6061为基体材料(尺寸为100×150mm平板，厚度10mm)，制备铝基碳化硅表层材料，具体步骤如下：
(1)首先对铝合金板进行表面清洁，去除表面污染物和氧化物；然后在表面加工钻孔(钻孔直径2mm，深度3mm，间距4mm)；将粒径1～10μm的碳化硅颗粒加入甲醇中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆填入钻孔中并压实，然后在烘干箱内进行低温干燥处理去除甲醇；
(2)如图1所示，以钨极氩弧作为热源在铝合金板的表面进行逐行扫描，单个熔池之间和相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使铝合金板的整个表层逐个区域快速熔化，同时在钨极氩弧热源后侧将碳化硅粉末通过送粉装置同步送入熔池中，用于补充由于铝和碳化硅界面反应造成的碳化硅粉末损失；最后自然冷却，在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层；
TIG热源的加工参数为：焊接电流90A，焊接电压10～15V，焊接速度100mm/min；相邻扫描道间重叠搭接率为50％；碳化硅粉末同步送粉速度为80mg/s；采用纯氩气(99.99％Ar)对熔池进行保护，气流量为8L/min。
(3)采用搅拌摩擦加工方法对铝合金板表面的铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的铝基碳化硅表层材料，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，所用搅拌工具的搅拌针长度为3mm，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2.5°；搅拌工具的旋转速度为1200rpm/min，搅拌摩擦加工前进速度为100mm/min，压入量为0.1mm；相邻搅拌加工道次的搭接率为50％，对整个加工区域共进行3轮完整的搅拌摩擦加工。
如图3所示，本实施例所得所得铝基碳化硅表层材料的厚度约为3mm，碳化硅颗粒体积分数为16％，碳化硅颗粒细小均匀，并且与铝基体结合良好。

Claims (6)

1.一种铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对铝合金板进行表面清洁，然后在表面加工钻孔；将碳化硅颗粒加入挥发性有机溶剂中，混合均匀，获得涂浆；将涂浆填入钻孔中并压实，然后进行干燥处理去除挥发性有机溶剂；
(2)以钨极氩弧作为热源在所述铝合金板的表面进行逐行扫描，相邻扫描道间相互重叠搭接形成连续熔池，使铝合金板的整个表层逐个区域快速熔化，同时在钨极氩弧热源后侧将碳化硅粉末同步送入熔池中，用于补充由于铝和碳化硅界面反应造成的碳化硅粉末损失；最后自然冷却，在铝合金板的表面形成铝碳化硅合金层；
(3)采用搅拌摩擦加工对铝合金板表面的铝碳化硅合金层进行固相机械搅拌，获得碳化硅颗粒细小均匀的铝基碳化硅表层材料。
2.根据权利要求1所述的铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于：
钨极氩弧热源的加工参数为：焊接电流20～100A，焊接电压10～30V，焊接速度50～100mm/min。
3.根据权利要求1所述的铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中采用纯氩气对熔池进行保护，气流量为5～15L/min。
4.根据权利要求1所述的铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中相邻扫描道间的重叠搭接率为30～50％。
5.根据权利要求1所述的铝基碳化硅表层材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中钻孔的直径2mm、深度2～3mm、相邻钻孔间隔4～6.5mm。
6.根据权利要求1所述的铝基碳化硅表层材料的制备方法，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加工设备工作台上，用耐热合金加工成搅拌工具，搅拌工具在样品表面的搅拌加工前进速度为20～100mm/min，搅拌工具的旋转速度是600～1200rpm/min，针对样品的整个表层经过2～3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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