CN108677187A - 基于多热源熔覆的镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多热源熔覆的镁基复合材料及其制备方法，是以镁合金材料作为基体材料，以铝基合金材料作为焊丝材料，采用直流低功率脉冲MIG焊熔覆在镁合金基体材料表面形成与基体材料冶金结合的中间隔热层，在中间隔热层上预置激光熔覆粉末材料，采用激光熔覆技术形成覆盖层。本发明结合了焊接热源和激光热源，利用多热源在镁合金基体材料表面熔覆中间隔热层和覆盖层，形成了硬度、耐磨性和耐蚀性等性能获得极大提升的镁基梯度材料层，扩大了镁合金的应用领域。

Description

基于多热源熔覆的镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种在镁合金基体材料上熔覆多层材料制备的镁基复合材料。
背景技术
镁合金密度低、比强度高、减震性好、易加工，广泛应用于航空航天、交通运输、生物医学等领域。然而，镁合金硬度低、耐磨性和耐蚀性差，又限制了其在严苛环境下的应用。
材料表面改性技术是在保持材料原有性能的前提下，赋予其表面耐高温、防腐蚀、耐磨损、导电等新特性，以提高材料在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
化学转化、阳极氧化、微弧氧化、电镀、热喷涂、气相沉积等材料表面改性技术存在成本高、涂层与基体结合差、操作复杂等问题。激光熔覆、电弧熔覆等表面改性技术虽然能够形成与基材冶金结合的熔敷层，可以实现形状复杂工件的加工，能够得到快速凝固特征的组织，具有一定的优势，但却无法在镁合金表面得到成功应用。
镁合金熔点低，在高功率密度激光束的直接作用下极易蒸发、变形，无法形成致密可靠的熔覆层。而如果采用较小功率密度的激光束，虽然可以缓解镁金属蒸发问题，但形成的激光熔覆层较薄，与基体的结合性能差，熔覆层易被稀释导致性能下降。因此，单一的激光熔覆工艺无法实现镁基复合材料的可靠制备。
低功率脉冲MIG(DC-PMIG)焊具有熔覆效率高、热输入易于控制、热影响区域窄的特点，利用MIG电弧在镁合金表面制备的熔覆层能够与镁合金基体较好的冶金结合，但其填充材料成分固定，形成的晶粒较为粗大，易于出现气孔等缺陷，导致熔覆层的性能受限。
因此，对于镁合金而言，采用上述单一的表面熔覆技术，难以形成稳定的改性层。而且，由于镁合金的性能活泼，形成的熔覆层一旦破坏，会加速腐蚀过程。故而，需要在镁合金表面制备出具有良好性能、足够层厚的复合材料层，而非简单的表面熔覆层，才能满足工业应用的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多热源熔覆的镁基复合材料，通过在镁合金表面形成功能梯度材料，以改善镁合金表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。
提供所述镁基复合材料的制备方法，是本发明的另一发明目的。
本发明所述的基于多热源熔覆的镁基复合材料是以镁合金材料作为基体材料，在所述基体材料表面依次熔覆中间隔热层和覆盖层构成。
其中，所述的中间隔热层是以铝基合金材料作为焊丝材料，采用直流低功率脉冲MIG焊熔覆在所述镁合金基体材料表面，所形成的与基体材料冶金结合的铝基隔热层。
所述的覆盖层是在所述中间隔热层上预置激光熔覆粉末材料，采用激光熔覆技术熔覆在所述中间隔热层上形成的熔覆涂层。
铝基合金材料与镁合金基体材料具有良好的热物理相容性和润湿性。由于铝与镁的熔点相近，热膨胀系数相近，能够和镁形成共晶组织，有效降低热应力引起的裂纹、剥离等熔覆层缺陷。同时，铝合金在硬度、耐蚀性方面均由于镁合金。因此，本发明选用铝基合金材料作为中间隔热层填充材料。
本发明所述的镁基复合材料中，作为中间隔热层的铝基合金材料可以是Al-Si焊丝ER4043，Al-Mg焊丝ER5356、ER5318，或者Al-Mn焊丝ER3103。其中，Al-Si焊丝流动性好，焊缝成形好，可以有效防止生成裂纹；Al-Mg焊丝则含有与基体材料相同的金属元素，相容性好，接头冶金结合性能好，同时具有抗热裂性能。
本发明顶部覆盖层采用高性能合金粉末作为填充材料，粉末可以根据使用要求进行选择和配置。由于中间层的隔热效果，激光熔覆制备覆盖层时不存在镁合金的蒸发、稀释率高等问题。因此，可供选择的粉末体系范围较广，进而，作为覆盖层的激光熔覆粉末材料可以是镍基合金粉末、钴基合金粉末等金属基合金粉末，也可以是陶瓷粉末，还可以是所述金属基合金粉末与陶瓷粉末的混合粉末。所选择的激光熔覆粉末材料应与所述铝基合金材料具有良好的热物理相容性和浸润性，以保证能与中间隔热层形成良好的冶金结合。
优选地，本发明使用NiCrAl合金粉末作为激光熔覆粉末材料。所述NiCrAl合金粉末中，Ni含量控制在70～80wt%，Cr含量12～18wt%，Al含量5～10wt%。其中元素Ni用于提高韧性、耐蚀性和硬度，Cr用于提高耐蚀性，Al的加入则是为了与基体材料具有相容性。
进一步地，本发明所述镁基复合材料中，所述中间隔热层的厚度为1.5～2.5mm，覆盖层厚度0.1～0.5mm。
本发明所述的镁基复合材料可以采用下述方法制备得到。
1）以镁合金为基体材料，采用直流低功率脉冲MIG焊，将铝基合金材料焊丝熔覆在所述镁合金基体材料表面，形成与基体材料结合稳定的、具有一定厚度的中间隔热层。
中间隔热层的焊接过程中，焊接热输入量过大会造成大气孔、裂纹等缺陷；而焊接热输量过小，则焊道成形质量差，造成焊道表面不平整，熔敷效率低。本发明采用低功率的脉冲MIG焊，可以将焊丝以低热输入熔覆在基体材料上，有效避免了高热输入对基体材料带来的不利影响。为了保证焊接的低功率，本发明优选控制所述脉冲MIG焊的焊接电流为40～80A，焊接电压为14～19V，焊枪行进速度0.8～1.2cm/s。
同时，本发明还在焊接过程中采用高纯氩气进行气体保护，防止镁合金表面熔敷过程中产生的氧化和过烧现象。
更进一步地，本发明优选使用直径0.8～1.2mm的铝基合金材料焊丝，并通过自动送丝机构将所述铝基合金材料焊丝熔敷在镁合金基体材料表面。
2）在上述形成的中间隔热层上均匀涂覆一层激光熔覆粉末材料，采用激光器对所述激光熔覆粉末材料进行连续扫描，使其熔融后冶金结合在中间隔热层上形成覆盖层。
本发明激光熔覆粉末材料的涂覆采用预置送粉方式实现。预置送粉方式工艺简单，操作灵活，激光能量吸收稳定，涂层厚度易于控制。本发明优选使用粘合剂将所述激光熔覆粉末材料调配均匀后，再涂覆在中间隔热层表面。涂层厚度优选为0.1～0.5mm，针对不同激光参数作适当调整，以保证粉末熔化与中间隔热层结合。使用的粘结剂包括水玻璃、硅酸盐胶、环氧树脂、醋酸纤维素等，选择时以不影响覆盖层熔覆质量为原则。
本发明采用的激光器为Nd:YAG固体激光器。金属材料对激光的吸收率和反射率与激光波长有关，激光波长越短，材料对光的吸收率越高、反射率越低。本发明中间隔热层金属对Nd:YAG激光器产生的波长1.06μm激光的吸收率明显高于CO2激光器产生的波长10.6μm激光，因此本发明选用Nd:YAG固体激光器。
进而，本发明所采用固体激光器的主要参数选取范围为：电流120～200A，脉宽3.5～4.5ms，频率15～30Hz，光斑直径0.8～1.2mm，扫描速度60～150mm/min，搭接率40%～70%。激光熔覆参数过小，金属粉末无法完全融化，不能与中间隔热层形成冶金结合，表面起球而得不到致密的覆盖层；激光熔覆参数过大，会导致中间隔热层变形和开裂，破坏中间隔热层与基体材料的结合。上述优化的激光熔覆参数能够保证激光功率的稳定性，以适合的搭接率和熔敷速度配合形成良好致密的覆盖层，同时不影响中间隔热层与基体材料的冶金结合。
更进一步地，本发明所采用激光熔覆粉末材料的粒度优选为200～500目。较小的粉末粒度对激光的吸收和产生熔池能力强，熔池溶液对流作用强，易于形成致密均匀的覆盖层。
本发明通过在镁合金基体材料表面熔覆中间隔热层和覆盖层，形成了硬度、耐磨性和耐蚀性等性能获得极大提升的镁基梯度材料层，制备得到了一种“三明治”结构的镁基复合材料。保证了镁基复合材料的实用性和材料利用率，扩大了镁合金的应用领域。
本发明结合了焊接热源和激光热源，利用多热源制备镁基复合材料，形成了具有良好表面性能的镁基复合材料。低功率脉冲MIG的熔覆效率高，热输入易于控制、热影响区域窄，形成的复合材料中间隔热层与基体材料金属冶金结合好；激光热源形成的表面覆盖层组织细化，具有良好的耐蚀性能和硬度，在腐蚀环境和耐磨要求时，能够对镁合金基体起到有效的保护作用。
附图说明
图1是实施例1制备镁基复合材料的横截面扫描图。
图2是实施例1制备镁基复合材料中间隔热层与覆盖层结合区的扫描图。
图3是实施例1制备镁基复合材料的极化曲线曲。
图4是实施例1制备镁基复合材料的硬度曲线图。
图5是实施例1制备镁基复合材料中间隔热层材料的XRD图。
图6是实施例1制备镁基复合材料覆盖层材料的XRD图。
图7是实施例2制备镁基复合材料的组织结构扫描图。
图8是实施例3制备镁基复合材料的组织结构扫描图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
将AZ91D镁合金切割成20mm×5mm×4mm的长方体块状，先用钢刷对镁合金表面进行打磨，然后使用240目的砂纸打磨表面，最后用无水乙醇冲洗干净，晾干。
采用低功率脉冲MIG焊，设置OTC-400气体保护焊机的焊接电流71A，焊接电压18.4V，使用Al-Si焊丝ER4043，以并排逐道堆焊的方式，在镁合金表面焊接一层中间隔热层。焊接过程中以纯度99.99%的氩气作为保护气，气流量14～16L/min。设置焊丝送丝速度3.8m/min，焊枪前进速度1.05cm/s，焊道间搭接率40%，在镁合金基体表面形成完整的中间隔热层。
采用铣床或磨床对形成的中间隔热层进行切削或磨削，使其表面齐整，然后用钢刷和240目砂纸进行表面处理，去除氧化膜和油污，最后用无水乙醇冲洗，晾干。
将水玻璃与纯净水以6∶4的比例混合均匀，制成粘结剂。取细度300目的NiCrAl合金粉末(Ni-Cr-Al为78-16-6)，以粘结剂调配均匀后，涂覆在中间隔热层上，构成一层厚度0.2mm的激光熔覆粉末材料，晾干4h，放入烘箱中，于150℃烘干2h。
采用LMY400型Nd:YAG固体激光器对上述激光熔覆粉末材料进行激光熔覆，熔覆参数设置为电流160A，脉宽4.0ms，频率18Hz，扫描速度90mm/min，光斑直径1.0mm，搭接率70%。激光熔覆过程中以纯度99.99%的氩气作为保护气，气流量10～15L/min。经过对激光熔覆粉末材料的连续扫描，将其熔融后冶金结合在中间隔热层上形成覆盖层，制成多层熔覆的镁基复合材料。
用扫描电镜对上述镁基复合材料进行显微形貌分析。结果如图1所示，可以观察到镁基复合材料有着明显的“三明治”分层现象，三层之间呈现冶金结合，结合处无明显的缺陷，且顶部覆盖层相对于中间隔热层的气孔有了很大的改善。图2给出了镁基复合材料中间隔热层与顶部覆盖层结合区的局部扫描图，可以看到，由中间隔热层到顶部覆盖层，组织逐渐均匀化，晶粒逐渐细化，呈现出明显的梯度变化。
使用电化学工作站对上述镁基复合材料进行耐蚀性能检测，得到了图3所示的极化曲线。其中，覆盖层腐蚀电压-1.18V，腐蚀电流密度0.000965mA/cm2；中间隔热层腐蚀电压-1.212V，腐蚀电流密度0.001316mA/cm2；镁合金基体腐蚀电压-1.467V，腐蚀电流密度0.1236mA/cm2。可以看出，覆盖层的腐蚀电压最高，腐蚀电流密度最低，耐蚀性最好，中间隔热层次之，镁合金基体最差。
以维氏硬度计对上述镁基复合材料进行硬度检测。如图4所示，硬度值从顶部覆盖层到中间隔热层逐次降低，镁合金基体最低。顶部覆盖层平均硬度330.8HV，约为中间隔热层硬度128.6HV的3倍，是镁合金基体硬度61HV的5倍左右。同时可以看到，中间隔热层厚度为1.8mm，覆盖层的厚度为0.2mm。
最后，采用X射线衍射仪对所述镁基复合材料的物相组成进行检测，结果如图5和图6所示。
图5为中间隔热层的XRD衍射图谱，显示中间隔热层中存在着Al，Mg，Al12Mg17，Al3Mg2和Mg2Si。
图6为顶部覆盖层的XRD衍射图谱，显示顶部覆盖层中存在有Al，Mg2Si，Al3Ni，Al13Cr2，Al45Cr7。
实施例2。
采用AZ61D镁合金材料为基体材料，以实施例1方法进行前处理后，按照实施例1低功率脉冲MIG焊方式，在镁合金基体表面形成中间隔热层。设置焊接电流45A，焊接电压15V，焊枪前进速度1cm/s，焊丝送丝速度2m/min，焊道间搭接率40%，保护气流量15L/min，使用Al-Mg焊丝ER5356进行熔敷。
之后依然按照实施例1方法，在上述中间隔热层上激光熔覆NiCrAl合金粉末形成覆盖层，制成多层熔覆的镁基复合材料。
制备覆盖层的材料和工艺参数与实施例1基本相同，因此覆盖层性能也与实施例1相同。
中间隔热层的组织结构如图7所示。由图7a可以看出由中间隔热层与基体材料之间形成了良好的冶金结合，图7b则显示中间隔热层组织均匀，无缺陷。
表1中列出了镁基复合材料中间隔热层距离结合区不同位置的平均显微硬度，可以看到，结合区和中间隔热层的硬度均高于基体材料。
实施例3。
采用AZ61D镁合金材料为基体材料，以实施例1方法进行前处理后，按照实施例1低功率脉冲MIG焊方式，在镁合金基体表面形成中间隔热层。设置焊接电流45A，焊接电压14.5V，焊枪前进速度1cm/s，焊丝送丝速度2m/min，焊道间搭接率40%，保护气流量15L/min，使用Al-Mn焊丝ER3103进行熔敷。
之后依然按照实施例1方法，在上述中间隔热层上激光熔覆NiCrAl合金粉末形成覆盖层，制成多层熔覆的镁基复合材料。
制备覆盖层的材料和工艺参数与实施例1基本相同，因此覆盖层性能也与实施例1相同。
中间隔热层的组织结构如图8所示。由图8a可以看出由中间隔热层与基体材料之间形成了良好的冶金结合，图8b则显示中间隔热层组织均匀，无缺陷。
表2中列出了镁基复合材料中间隔热层距离结合区不同位置的平均显微硬度，可以看到，结合区和中间隔热层的硬度均高于基体材料。

Claims (10)

1.一种基于多热源熔覆的镁基复合材料，是以镁合金材料作为基体材料，在所述基体材料表面依次熔覆中间隔热层和覆盖层构成；其中，所述的中间隔热层是以铝基合金材料作为焊丝材料，采用直流低功率脉冲MIG焊熔覆在所述镁合金基体材料表面，所形成的与基体材料冶金结合的铝基隔热层；所述的覆盖层是在所述中间隔热层上预置激光熔覆粉末材料，采用激光熔覆技术熔覆在所述中间隔热层上形成的熔覆涂层。
2.根据权利要求1所述的基于多热源熔覆的镁基复合材料，其特征是所述中间隔热层的厚度为1.5～2.5mm，覆盖层的厚度0.1～0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于多热源熔覆的镁基复合材料，其特征是所述铝基合金材料是Al-Si焊丝ER4043，Al-Mg焊丝ER5356、ER5318，或Al-Mn焊丝ER3103。
4.根据权利要求1或2所述的基于多热源熔覆的镁基复合材料，其特征是所述激光熔覆粉末材料是金属基合金粉末、陶瓷粉末，或金属基合金粉末与陶瓷粉末的混合粉末。
5.根据权利要求4所述的基于多热源熔覆的镁基复合材料，其特征是所述的金属基合金粉末是镍基合金粉末NiCrAl。
6.权利要求1所述镁基复合材料的制备方法，是先以镁合金为基体材料，采用直流低功率脉冲MIG焊，将铝基合金材料焊丝熔覆在所述镁合金基体材料表面，形成与基体材料结合稳定的、具有一定厚度的中间隔热层，再在上述形成的中间隔热层上均匀涂覆一层激光熔覆粉末材料，采用激光器对所述激光熔覆粉末材料进行连续扫描，使其熔融后冶金结合在中间隔热层上形成覆盖层。
7.根据权利要求6所述的镁基复合材料的制备方法，其特征是所述脉冲MIG焊的焊接电流40～80A，焊接电压14～19V，焊枪行进速度0.8～1.2cm/s。
8.根据权利要求6或7所述的镁基复合材料的制备方法，其特征是所述铝基合金材料焊丝的直径0.8～1.2mm。
9.根据权利要求6所述的镁基复合材料的制备方法，其特征是所述激光器为Nd:YAG固体激光器。
10.根据权利要求6所述的镁基复合材料的制备方法，其特征是所述激光熔覆粉末材料的粒度为200～500目。
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