CN107620025A - 一种铝合金表面镍基涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金表面镍基涂层及其制备方法，制备过程中首先对铝合金基材表面进行打磨、清洗、喷砂处理，然后采用超音速等离子喷涂法在喷砂处理后的铝合金表面喷涂镍基涂层，冷却至室温后再采用激光重熔的方法将涂层与铝合金基材重新熔化，在界面处形成冶金结合。制备得到的铝合金表面镍基涂层厚度为0.4mm，涂层组织得到细化，气孔裂纹等缺陷减少，涂层与基材的界面结合强度得到提高，性能得到增强，使铝合金基材的使用寿命大幅度地提高。此方法工艺简单，安全稳定，应用面宽，适用于多种型号铝合金表面的增强处理。

Description

一种铝合金表面镍基涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种铝合金表面镍基涂层及其制备方法。

背景技术

铝合金因其具有密度小、热膨胀系数低、易加工、易导热导电、高比强度以及良好的焊接性能等，被广泛地应用到了光学精密仪器、惯性器件、发动机活塞、直升机起落架、导弹壳体、汽车车身、机车车厢和航空航天器结构等各个方面。尽管铝合金具有上述众多优点，但在实际应用中，铝合金还存在着诸多问题。比如：表面硬度低、摩擦系数高、磨损大、难以润滑导致铝合金耐磨性差，易产生塑性变形；在有氯离子及碱性介质存在的情况下，极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏，这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。因此，寻求一种有效的铝合金表面强化方法很有必要。

激光熔覆是近年来兴起的一种新型的增材制造技术，利用一定功率密度的激光束作用于预先涂覆在金属表面或同步送入的粉末材料上，使材料与基材表面熔化，在金属基材表面形成一层低稀释率并具有良好冶金结合的熔覆层，达到材料表面修复或增材制造的目的。由于铝合金熔点低且电负性高，容易与大多数金属形成金属间化合物脆性相。直接在铝合金表面进行激光熔覆，铝合金基材会大量熔化稀释到涂层里形成大量脆性相，导致涂层中产生大量裂纹。因此，本发明专利通过超音速等离子喷涂在铝合金表面预先制备一层镍基涂层，再采用激光重熔的方法，将涂层与少量基材熔化得到涂层与基体冶金结合，性能得到提高的涂层。通过控制激光重熔的工艺参数，可以控制涂层与基体结合界面处金属间化合物的生成量，在激光重熔过程中可以消除喷涂涂层中大量的气孔，改善涂层与基体的结合强度，使涂层更致密。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种有效的铝合金表面强化方法，可以有效提高铝合金材料的表面性能，使得铝合金材料具有更广泛的应用。

为实现上述目的，本发明提供了一种铝合金表面镍基涂层及其制备方法，制备的涂层具有硬度高、耐磨性好，以及涂层与基体结合力强等优点。具体方案如下：

本发明公开了一种铝合金表面镍基涂层制备方法，包括如下步骤：

步骤一，对铝合金基材表面进行机械打磨，然后进行喷砂处理，喷砂处理完成后，使用压缩空气对基材表面进行砂粒清除。

步骤二，将镍基合金粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，保温1.5h，用于去除粉末中自由水及结晶水。

步骤三，利用步骤二处理后获得的镍基合金粉末对步骤一处理后的基材表面进行喷涂，冷却至室温，制备得到喷涂涂层。喷涂处理采用了超音速等离子喷涂工艺喷涂镍基合金粉末，喷涂后，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合。

步骤四，采用光纤激光对喷涂涂层进行激光重熔处理，在基材表面制备得到铝合金表面镍基涂层。

进一步地，步骤一中铝合金基材为6061铝合金。

进一步地，步骤一中喷砂处理采用30目Al₂O₃进行喷砂处理，喷砂压力为0.45MPa。

进一步地，步骤二中镍基合金粉末的粒径为100～150μm，形状为表面光滑的球状。

进一步地，步骤二中镍基合金粉末为NiCrBSi合金粉末，组成包括0.25％C、1.6％B、2.5％Fe、3.5％Si、7.5％Cr。

进一步地，步骤二中真空干燥箱温度控制为150℃。

进一步地，步骤三中喷涂采用HEPJ-100超音速等离子喷涂系统，优先采用装甲兵工程学院自主开发的HEPJ-100超音速等离子喷涂系统。

进一步地，所采用的激光重熔系统包括10kW光纤激光器，六轴联动机器手臂及二轴联动变位机，IWS反馈系统，保护气及冷却水系统。在激光重熔过程中，调整激光工艺参数，在保证激光能量可以充分熔化涂层的基础上，采用较低的扫描速率和激光功率，可以有效地抑制重熔过程中裂纹的萌生。

进一步地，步骤三中所述喷涂涂层厚度为0.4mm。

进一步地，步骤四中激光重熔处理采用10kW光纤激光器(IPG YLS-10000)，光纤激光器的激光波长为1060nm，功率为1.2～1.8kW，扫描速率为2～8mm/min。

本发明公开的制备方法制备得到的涂层为镍基涂层，厚度为0.4mm，均匀覆盖在所述铝合金表面，所述镍基涂层材质为NiCrBSi合金，组成中包含0.25％C、1.6％B、2.5％Fe、3.5％Si、7.5％Cr。

在本发明公开的技术方案中可以有效抑制裂纹的产生，裂纹的控制主要是由于较低的扫描速率和功率可以减少基体与涂层界面结合处金属间化合物脆性相的生成量；另一方面较低的激光扫描速率降低了熔池的温度梯度，从而降低了涂层的热应力；而较低的热输入量降低了涂层的热畸变从而降低了涂层的内应力，因此降低了重熔过程中裂纹的产生。

本发明具有如下有益效果：

1、通过控制激光重熔的工艺参数，可以控制涂层与基体结合界面金属间化合物的生成量，从而抑制裂纹，得到涂层与基体不同结合方式的强化涂层。

2、此方法工艺简单，安全稳定，应用面宽，适用于多种型号铝合金表面的增强处理。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明公开的制备镍基涂层的过程示意图；

图2为本发明较佳实施例激光重熔(涂层部分熔化)制备涂层横截面示意图；

图3为本发明较佳实施例激光重熔(涂层全部熔化，基体过熔)制备涂层横截面示意图；

图4为本发明较佳实施例激光重熔(涂层全部熔化，基体少量熔化)制备涂层横截面示意图；

图5为本发明较佳实施例激光重熔前涂层横截面金相图；

图6为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层部分熔化)涂层横截面金相图；

图7为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层全部熔化，基体过熔)涂层横截面金相图；

图8为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层全部熔化，基体少量熔化)涂层横截面金相图；

图9为本发明较佳实施例不同功率与扫描速率下激光重熔处理涂层的熔化深度曲线图；

图10为本发明较佳实施例激光重熔前后涂层显微硬度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何形式限制发明的范围。

如图1-图10所示，图1为本发明公开的制备镍基涂层的过程示意图，图2为本发明较佳实施例激光重熔(涂层部分熔化)制备涂层横截面示意图，图3为本发明较佳实施例激光重熔(涂层全部熔化，基体过熔)制备涂层横截面示意图，图4为本发明较佳实施例激光重熔(涂层全部熔化，基体少量熔化)制备涂层横截面示意图，图5为本发明较佳实施例激光重熔前涂层横截面金相图，图6为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层部分熔化)涂层横截面金相图，图7为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层全部熔化，基体过熔)涂层横截面金相图，图8为本发明较佳实施例激光重熔后(涂层全部熔化，基体少量熔化)涂层横截面金相图，图9为本发明较佳实施例不同功率与扫描速率下激光重熔处理涂层的熔化深度曲线图，图10为本发明较佳实施例激光重熔前后涂层显微硬度分布曲线。

较佳实施例：

第一步，进行铝合金基材表面预处理，对6061铝合金基材表面进行机械打磨，然后进行喷砂处理，喷砂处理完成后，使用压缩空气对基材表面进行砂粒清除。喷砂处理采用30目Al₂O₃进行喷砂处理，喷砂压力为0.45MPa。

第二步，将镍基合金粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，保温1.5h，用于去除粉末中自由水及结晶水，真空干燥箱温度控制为150℃，镍基合金粉末粒径为100～150μm，镍基合金粉末为NiCrBSi合金粉末，粉末成分为：C 0.25％，B 1.6％，Fe 2.5％，Si 3.5％，Cr7.5％，形状为表面光滑的球状。

第三步，进行超音速等离子喷涂，将第二步得到的镍基合金粉末对基材表面进行喷涂，冷却至室温，制备得到喷涂涂层，喷涂处理采用了超音速等离子喷涂工艺喷涂镍基合金粉末，喷涂后，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合，喷涂采用HEPJ-100超音速等离子喷涂系统，优先采用装甲兵工程学院自主开发的HEPJ-100超音速等离子喷涂系统，在HEPJ-100超音速等离子喷涂系统上进行喷涂过程中，初级气为Ar，流量为90SLPM，次级气为H2，流量为15SLPM，送粉气为Ar，流量为400SLPM，电流为400A，电压为150V，喷涂距离为120mm，喷涂速率为800mm/s，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合。

第四步，采用光纤激光对喷涂涂层进行激光重熔处理，在基材表面制备得到铝合金表面镍基涂层，所采用的激光重熔系统包括10kW光纤激光器，六轴联动机器手臂及二轴联动变位机，IWS反馈系统，保护气及冷却水系统。在激光重熔过程中，调整激光工艺参数，在保证激光能量可以充分熔化涂层的基础上，采用较低的扫描速率和激光功率，可以有效地抑制重熔过程中裂纹的萌生。激光重熔处理采用10kW光纤激光器(IPG YLS-10000)，光纤激光器的激光波长为1060nm，功率为1.2～1.8kW，扫描速率为2～8mm/min。

制备得到的涂层为镍基涂层，厚度为0.4mm，均匀覆盖在铝合金表面。

该制备方法可以有效抑制裂纹的产生，裂纹的控制主要是由于较低的扫描速率和功率可以减少基体与涂层界面结合处金属间化合物脆性相的生成量；另一方面较低的激光扫描速率降低了熔池的温度梯度，从而降低了涂层的热应力；而较低的热输入量降低了涂层的热畸变从而降低了涂层的内应力，因此降低了重熔过程中裂纹的产生。

如图2所示，涂层部分熔化，与基体仍为机械结合；如图3所示，涂层全部熔化，基体过熔，界面处生成大量金属间化合物；如图4所示，涂层全部熔化，基体少量熔化，界面处生成少量金属间化合物，形成良好的冶金结合；如图9所示，不同功率与扫描速率下，激光重熔处理涂层的熔化深度，其中无裂纹涂层的最佳工艺窗口为：激光功率1.2～1.5kW,扫描速率4～6mm/s。

由于直接在铝合金表面激光熔覆镍基合金粉末易形成大量的金属间化合物导致涂层脆性开裂，而等离子喷涂涂层界面结合性差，涂层疏松且有大量气孔，所以本发明采用了喷涂与激光重熔联合的方法在铝合金表面制备镍基涂层，该过程示意图见图1。通过控制激光重熔功率及扫描速率，可以得到三种不同的涂层，如图2～图4，其中图4涂层完全重熔，基体部分熔化，在界面处生成少量金属间化合物，形成良好的冶金结合，这种涂层性能最佳。

图5～图8为激光重熔前以及激光重熔后得到的三种界面情况的涂层横截面金相照片。激光重熔前涂层表面粗糙，涂层中存在大量缺陷：如图5中所示的气孔，扁平粒子间空隙，涂层疏松不够致密，还有许多未融化的粉末颗粒，界面结合强度不高等。激光重熔后涂层表面都较为平整，结构更加致密。通过控制不同的激光功率和扫描速率，得到了三种不同界面的涂层。其中图6对应图2涂层部分熔化，图7对应图3基体过熔，这两种涂层对应的工艺参数分别为1.5kW，8mm/s；2.0kW，6mm/s。图8对应图4基体少量熔化，涂层中无裂纹，且气孔较少，涂层与基体形成良好的冶金结合。前面两种涂层中，涂层顶部以及与基体的结合界面处均有裂纹产生，但通过调整激光重熔的功率及扫面速率后，可以得到缺陷较少的涂层。本发明优化了热喷涂联合激光重熔法制备无裂纹镍基涂层的工艺窗口，如图9所示。在功率1.2kW～1.5kW，扫速4mm/s～6mm/s的工艺窗口可以得到无裂纹的涂层。对涂层的硬度进行了测试，如图10所示。激光重熔前涂层平均硬度值在500HV，激光重熔后涂层硬度达到了650HV，相对于基体的88HV提高了7.4倍，说明表面性能得到了提高。通过改变激光重熔过程中激光功率和扫描速率，即可控制涂层裂纹敏感性及界面处金属间化合物脆性相的生成。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对铝合金基材表面进行机械打磨，然后进行喷砂处理，所述喷砂处理完成后，使用压缩空气对所述基材表面进行砂粒清除；

步骤二，将镍基合金粉末在真空干燥箱中进行干燥处理，保温1.5h；

步骤三，利用步骤二处理后获得的所述镍基合金粉末对步骤一处理后的所述基材表面进行喷涂，冷却至室温，制备得到喷涂涂层；

步骤四，对所述喷涂涂层进行激光重熔处理，在所述基材表面制备得到铝合金表面镍基涂层。

2.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤一中所述铝合金基材为6061铝合金。

3.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤一中所述喷砂处理采用30目Al₂O₃进行喷砂处理，喷砂压力为0.45MPa。

4.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍基合金粉末的粒径为100～150μm，形状为表面光滑的球状。

5.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤二中所述镍基合金粉末为NiCrBSi合金粉末，组成包括0.25％C、1.6％B、2.5％Fe、3.5％Si、7.5％Cr。

6.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤二中所述真空干燥箱温度控制为150℃。

7.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤三中所述喷涂采用HEPJ-100超音速等离子喷涂系统。

8.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤三中所述喷涂涂层厚度为0.4mm。

9.如权利要求1所述的铝合金表面镍基涂层制备方法，其特征在于，步骤四中所述激光重熔处理采用10kW光纤激光器，所述光纤激光器的激光波长为1060nm，功率为1.2～1.8kW，扫描速率为2～8mm/min。

10.如权利要求1～9任一所述的铝合金表面镍基涂层制备方法制备得到的镍基涂层，其特征在于，所述镍基涂层厚度为0.4mm，均匀覆盖在所述铝合金表面，所述镍基涂层材质为NiCrBSi合金，组成中包含0.25％C、1.6％B、2.5％Fe、3.5％Si、7.5％Cr。