CN108796498B - 一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，属于激光增材制造技术领域。本发明应用混合粉末在熔融的铝合金基体内与铝元素反应生成陶瓷相的方法，能够很好的抑制熔覆层与铝合金基体之间的开裂问题，与铝合金基体之间能够形成很好的冶金结合，同时添加的SiO2，TiO2粉末也能增强生成陶瓷相的热膨胀系数。本发明避免了传统激光熔覆层与金属基体表面的机械结合，增加铝合金表面的耐磨耐腐蚀性能。

Description

一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，属于激光增材制造技术领域。
背景技术
铝合金具有密度低、塑性高、抗腐蚀性能好等优点,在航空航天、汽车及其它机械制造领域中得到广泛应用，在波音787和空客A350XWB问世之前，现代飞机的主要制造材料是铝合金。然而,铝基材料熔点低(约600℃)、硬度低和耐磨性差的缺陷,这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。常规的热处理方法和焊接工艺处理后都会产生很大的缺陷，因此为了克服铝合金的不足,对铝合金的表面改性，获得具有优质性能的铝合金一直是研究学者的努力方向。
激光熔覆是一种新的材料的表面熔覆层的技术，涉及到很多学科的应用，是激光先进制造技术的一项重要技术之一。激光熔覆技术可以改善基体材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐热等多种综合性能，这即保存了基体材料的优点，也改善了基体应用性能的缺陷，创造了具有更加优异性能的材料。
激光熔覆技术中激光熔覆陶瓷粉末仍然是现代熔覆技术的一大难题，因为陶瓷材料与基体金属在热膨胀系数、弹性模量等性能上差别较大，相容性较差，熔覆层容易产生变形、开裂、剥落等问题。因此如何有效抑制和解决陶瓷层与基体材料之间的开裂问题，是激光熔覆陶瓷粉末的关键性问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，应用混合粉末在熔融的铝合金基体内与铝元素反应生成陶瓷相的方法，能够很好的抑制熔覆层与铝合金基体之间的开裂问题，与铝合金基体之间能够形成很好的冶金结合，同时添加的SiO2，TiO2粉末也能增强生成陶瓷相的热膨胀系数。本发明避免了传统激光熔覆层与金属基体表面的机械结合，增加铝合金表面的耐磨耐腐蚀性能。
具体步骤如下：
A、对铝合金基体材料进行预处理：清理表面，并用砂纸逐级打磨至2000目，并将铝合金基体放入酒精溶液中用超声波清洗仪清洗表面杂质；
B、粉末配制：按比例配制能与基体自反应生成陶瓷增强相的混合粉末，混合粉末由WO3、石墨粉末、SiO2，TiO2均匀混合而成；
C、激光熔覆：将铝合金基体装夹在激光熔覆装置上，激光冲击铝合金基体材料，使铝合金基体材料表面熔融深度为1-1.5mm，同轴送粉器输送混合粉末喷射到熔池内，根据：WO3+Al+C→Al2O3+WxC，混合粉末与铝合金基体材料反应生产相应的陶瓷颗粒来增加铝合金基体的耐磨耐腐蚀性能。
所述步骤A中材料表面的预处理是传统的手工处理方法，用砂纸从800目开始逐级打磨至2000目，起始800目是防止粗砂纸对基体造成划痕。
所述步骤B中混合粉末配制的粒径在150-300nm，混合粉末成分按物质的量计算，配比为：WO345％-50％，石墨粉末35％-45％，SiO25％-7.5％，TiO25％-7.5％，混合粉末中添加的SiO2，TiO2粉末能够增加陶瓷相颗粒层的热膨胀系数。
所述步骤C中同轴送粉器的中心部位为喷粉通道，而四周为保护气体通道，保护气体为氩气或者氦气惰性气体，对熔覆和反应过程中起到保护作用。
所述步骤C中进行激光熔覆的激光器为二氧化碳激光器，工作参数为：激光功率为1600-2400W、扫描速度1-2mm/s、光斑直径3mm、脉冲宽度20ns、送粉速率2-4g/min、气体流量4-5L/min。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述表面强化方法的操作步骤流程图。
图2为本文激光熔覆的装置图。
图3为本发明实例的激光熔覆的熔覆层形貌。
图4为传统激光熔覆的截面分层形貌图。
图5为本方法激光熔覆的截面形貌图。
图1中，1--激光发生器，2--反射镜，3--聚焦透镜，4--铝合金基体，5--夹具体，6--集成控制系统，7--滚筒，8--同轴送粉器，9--保护气体通道，10--喷粉通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案做进一步详细说明。
选取6061—T6铝合金为研究对象，将6061—T6材料切成60mm×60mm×5mm的试样，表面用砂纸从800目逐级打磨至2000目，并将打磨后的试样放在酒精溶液中用超声波清洗仪清洗表面。
制备混合粉末，混合粉末配制的粒径在150-300nm，混合粉末成分按物质的量配比为：WO345％-50％、石墨粉末(纯度≥99.5％)35％-45％、SiO25％-7.5％、TiO25％-7.5％。
将配制好的混合粉末装入到激光熔覆装置的滚筒7中，并调整相应的集成控制系统系统6，同轴送粉器8的中心部位为混合粉末的喷粉通道10，而四周为保护气体通道9，保护气体为氩气或者氦气惰性气体。
激光熔覆：将铝合金基体4装夹在夹具体5上，激光冲击铝合金基体材料4，使铝合金基体4材料表面熔融深度1-1.5mm，同轴送粉器8输送混合粉末喷射到熔池内，根据：WO3+Al+C→Al2O3+WxC，混合粉末与铝合金基体材料4反应生产相应的陶瓷相颗粒来增加铝合金基体4的耐磨耐腐蚀性能。激光熔覆的激光器发生器1为二氧化碳激光器，工作参数为：激光功率为1600-2400W、扫描速度1-2mm/s、光斑直径3mm、脉冲宽度20ns、送粉速率2-4g/min、气体流量4-5L/min。
对6061—T6铝合金材料使用本方法处理后的激光熔覆技术，铝合金基体4表面反应生成相应的陶瓷相颗粒，增加了基体表面的耐磨耐腐蚀功能，同时能够很好的抑制熔覆层与基体之间的开裂问题，与基体之间能够很好的冶金结合。图3显示激光熔覆6061-T6铝合金的熔覆层形貌，表面生成许多陶瓷相颗粒，熔敷层与基体结合强度高,晶粒得到细化,耐磨耐蚀性能得到提高。图4为传统激光熔覆的截面分层形貌图，裂纹产生处会聚集着许多黑色陶瓷颗粒，表明激光熔融陶瓷颗粒在重熔金属内的聚集增大了裂纹产生的敏感性。而图5本方法激光熔覆的截面形貌图并无未融的陶瓷相颗粒，因此能够很好的抑制熔覆层与基体之间的开裂问题，且基体之间能够很好的冶金结合。

Claims (5)

1.一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，其特征在于，采用混合粉末在熔融的铝合金基体内与铝元素反应生成陶瓷相的方法，能够抑制熔覆层与铝合金基体之间的开裂，与铝合金基体之间能够形成很好的冶金结合，同时添加的SiO2，TiO2粉末也能增加生成陶瓷相的热膨胀系数，具体步骤如下：
A、对铝合金基体材料进行预处理：清理表面，并用砂纸逐级打磨至2000目，并将铝合金基体放入酒精溶液中用超声波清洗仪清洗表面杂质；
B、粉末配制：按比例配制能与基体自反应生成陶瓷增强相的混合粉末，混合粉末由WO3、石墨粉末、SiO2，TiO2均匀混合而成；
C、激光熔覆：将铝合金基体装夹在激光熔覆装置上，激光冲击铝合金基体材料，使铝合金基体材料表面熔融深度为1-1.5mm，同轴送粉器输送混合粉末喷射到熔池内，根据：WO3+Al+C→Al2O3+WxC，混合粉末与铝合金基体材料反应生产相应的陶瓷颗粒来增加铝合金基体的耐磨耐腐蚀性能；
所述步骤B中混合粉末配制的粒径在150-300nm，混合粉末成分按物质的量计算，配比为：WO345％-50％，石墨粉末35％-45％，SiO25％-7.5％，TiO25％-7.5％，混合粉末中添加的SiO2，TiO2粉末能够增加陶瓷相颗粒层的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，其特征在于，所述步骤A中材料表面的预处理是传统的手工处理方法，用砂纸从800目开始逐级打磨至2000目，起始800目是防止粗砂纸对基体造成划痕。
3.如权利要求1所述的一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，其特征在于，所述步骤C中，同轴送粉器的中心部位为喷粉通道，而四周为保护气体通道，保护气体为氩气或者氦气惰性气体，对熔覆和反应过程中起到保护作用。
4.如权利要求1所述的一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，其特征在于，所述步骤C中，进行激光熔覆的激光器为二氧化碳激光器，工作参数为：激光功率为1600-2400W、扫描速度1-2mm/s、光斑直径3mm、脉冲宽度20ns、送粉速率2-4g/min、气体流量4-5L/min。
5.如权利要求1所述的一种激光熔覆铝合金表面自反应生成陶瓷相的方法，其特征在于，所述步骤C中，反应生成的WxC是WC、W2C、W3C的混合产物。
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