CN109536949A - 一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法 - Google Patents

一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，属于铝合金性能强化技术领域。首先对铝合金进行激光熔覆处理工艺，步骤(1)：铝合金表面黑化处理，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物；步骤(2)：自制Ni基熔覆粉末的制备。将粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min，粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形；步骤(3)：利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆工艺。然后，对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理经过上述工艺即可获得热疲劳性能显著提升的铝合金材料。

Description

一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，特指一种适用于激光熔覆处理和固溶深冷时效复合处理协调强化提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法。
背景技术
近年来，铝合金在航天航空等高端领域应用过程中容易发生热疲劳失效现象。所谓热疲劳是指在交变温度或热循环环境下服役材料的一种重要失效形式。在现实生活中，非室温工作设备在稳态运行、起动停车或工况突变时都将持续承受热应力、拉压应力和高温氧化腐蚀的综合作用而产生热疲劳损伤，其潜在危险性极大，一旦发生事故往往是灾难性的。
国内外学者在提高材料热疲劳性能方面进行了大量研究发现：铝合金材料表面或近表面位置是热疲劳裂纹萌生，导致热疲劳损伤的源头。为了降低铝合金表面萌生裂纹的可能性，减少成本、节约资源，突破铝合金材料耐热性不足等问题，采取激光熔覆技术对铝合金表面进行改性和增材制造是首选方法。为确保激光熔覆后，铝合金表面的组织和性能获得显著的改善和提高，通常选择Ni、Cu、Fe基合金及其复合材料作为熔覆材料。由于它们与铝合金基体间存在熔点、膨胀系数和润湿性等方面的差距，加上激光熔覆凝固速度极快，导致激光熔覆工艺过程中熔覆区附近组织容易形成柱状晶、偏析、形成脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力。这些问题严重影响了激光熔覆层对铝合金表面的强化作用，在热疲劳过程中熔覆层容易脱落，严重影响其对铝合金热疲劳性能的改善作用。因此，必须采取措施改善铝合金激光熔覆层附近微观组织、减少熔区内的缺陷，消除残余压力，才能提高铝合金材料及其构件的热疲劳寿命。近年来，深冷处理作为常规热处理的一种延伸，倍受人们的关注。通过改善组织均匀性、消除残余应力、稳定尺寸，深冷处理可以显著提高黑色金属、有色金属等材料的力学性能和使用寿命，且具有操作简单、不破坏工件、无污染、低成本等优势，其经济效益和市场前景非常可观。
随着科学技术的进步和人类生活需求的提高，应用装备逐步向高温或低温极端领域发展，进而对其制备材料的承载、重量、成本、寿命等性能指标提出越来越高的要求，材料的高性能、高品质、轻量化提升到了前所未有的重要地位。铝合金材料作为当前最为重要的轻质材料，提高材料的热疲劳性能，使其有效可靠的应用在变温或非室温的工况环境中是亟待解决的问题。然而，目前相关方面的研究和应用还存在诸多不足。
为此，本发明开发出一种通过激光熔覆+固溶+深冷+时效的复合强化处理提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法。
发明内容
本发明开发出一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，本发明首先对铝合金进行激光熔覆处理，再对其进行固溶、深冷和时效处理，二者协调强化后极大地提高了铝合金的热疲劳性能，拓展了铝合金的应用领域。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，按照下述步骤进行：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为8～10％的NaOH溶液中浸蚀2～3min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；
(2)熔覆粉末的制备：Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y2O3为3～4％、CeO2为3～4％、La2O3为2～3％、Nd2O3为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni。
将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min，粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形；
(3)激光熔覆工艺：利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆；
(4)对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。
所述的处理过程按照下述步骤进行：
步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500～515℃并保温8～10h，然后淬入55～65℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；
步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2～5h，然后再完全浸入液氮中并保持12～24h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；
步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175～185℃并保温6～7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
其中，步骤(3)：激光熔覆工艺重要参数如下：激光功率为1000～1800W，光斑直径3～5mm，扫描速度300～500mm/min，搭接率50％，送粉速度8～12g/min。
本发明中，经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金可以进行打磨和抛光等处理。
有益效果：
从热疲劳性能上看，铝合金材料的耐热性一般且在变温或非室温的热疲劳工况下，极易在铝合金表面或近表面处萌生疲劳裂纹，导致其热疲劳性能较差。而在铝合金表面激光熔覆一层镍基合金后，其耐热性得到极大地改善，配合固溶、深冷和时效处理主要是改善熔覆层与基体铝合金间的结合性能，可以细化组织，形成更多的强化相，消除残余应力，从而提高铝合金的热疲劳性能。
附图说明
图1热疲劳试样尺寸。
具体实施方式
本发明所述的一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，首先对铝合金进行激光熔覆处理工艺，按照下述步骤进行：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为8～10％的NaOH溶液中浸蚀2～3min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y2O3为3～4％、CeO2为3～4％、La2O3为2～3％、Nd2O3为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min，粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1000～1800W，光斑直径3～5mm，扫描速度300～500mm/min，搭接率50％，送粉速度8～12g/min。步骤(4)：对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。所述的处理过程按照下述步骤进行：步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500～515℃并保温8～10h，然后淬入55～65℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2～5h，然后再完全浸入液氮中并保持12～24h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175～185℃并保温6～7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
最后，对经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能。
实施例1
铝合金选择市售的A356铸造铝合金。按照下述步骤进行强化处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为8％的NaOH溶液中浸蚀3min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13％、Si为3％、Ti为2％、B为2％、Y2O3为3％、CeO2为3％、La2O3为2％、Nd2O3为1％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.5％、SrO为0.1％、Fe为2％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10min，粉末粒度250～400目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1000W，光斑直径3mm，扫描速度300mm/min，搭接率50％，送粉速度8g/min。步骤(4)：对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。所述的处理过程按照下述步骤进行：步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500℃并保温10h，然后淬入55℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2h，然后再完全浸入液氮中并保持12h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175℃并保温7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
最后，对经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
实施例2
铝合金选择市售的A356铸造铝合金。按照下述步骤进行强化处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为10％的NaOH溶液中浸蚀2min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为18％、Si为5％、Ti为3％、B为3％、Y2O3为4％、CeO2为4％、La2O3为3％、Nd2O3为2％、Co为3％、C为0.8％、Mn为0.8％、SrO为0.3％、Fe为8％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为30min，粉末粒度150～300目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1800W，光斑直径5mm，扫描速度500mm/min，搭接率50％，送粉速度12g/min。步骤(4)：对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。所述的处理过程按照下述步骤进行：步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度515℃并保温8h，然后淬入65℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持5h，然后再完全浸入液氮中并保持24h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度185℃并保温6h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
最后，对经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
实施例3
铝合金选择市售的7075变形铝合金。按照下述步骤进行强化处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为8％的NaOH溶液中浸蚀3min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13％、Si为3％、Ti为2％、B为2％、Y2O3为3％、CeO2为3％、La2O3为2％、Nd2O3为1％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.5％、SrO为0.1％、Fe为2％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10min，粉末粒度250～400目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1000W，光斑直径3mm，扫描速度300mm/min，搭接率50％，送粉速度8g/min。步骤(4)：对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。所述的处理过程按照下述步骤进行：步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500℃并保温10h，然后淬入55℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2h，然后再完全浸入液氮中并保持12h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175℃并保温7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
最后，对经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
实施例4
铝合金选择市售的7075变形铝合金。按照下述步骤进行强化处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为10％的NaOH溶液中浸蚀2min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为18％、Si为5％、Ti为3％、B为3％、Y2O3为4％、CeO2为4％、La2O3为3％、Nd2O3为2％、Co为3％、C为0.8％、Mn为0.8％、SrO为0.3％、Fe为8％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为30min，粉末粒度150～300目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1800W，光斑直径5mm，扫描速度500mm/min，搭接率50％，送粉速度12g/min。步骤(4)：对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理。所述的处理过程按照下述步骤进行：步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度515℃并保温8h，然后淬入65℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持5h，然后再完全浸入液氮中并保持24h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度185℃并保温6h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
最后，对经过上述激光熔覆+固溶+深冷+时效复合强化处理的铝合金进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例1
铝合金选择市售的A356铸造铝合金。然后将A356合金采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例2
铝合金选择市售的A356铸造铝合金。然后将A356合金进行如下步骤的固溶+深冷+时效处理：步骤(1)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500℃并保温10h，然后淬入55℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(2)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2h，然后再完全浸入液氮中并保持12h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(3)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175℃并保温7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
上述处理完成后，采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例3
铝合金选择市售的A356铸造铝合金。然后将A356合金进行如下步骤的表面激光熔覆处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为10％的NaOH溶液中浸蚀2min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13％、Si为3％、Ti为2％、B为2％、Y2O3为3％、CeO2为3％、La2O3为2％、Nd2O3为1％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.5％、SrO为0.1％、Fe为2％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为30min，粉末粒度150～300目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1800W，光斑直径5mm，扫描速度500mm/min，搭接率50％，送粉速度12g/min。
上述处理完成后，采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例4
铝合金选择市售的7075变形铝合金。然后将7075合金采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例5
铝合金选择市售的7075变形铝合金。然后将7075合金进行如下步骤的固溶+深冷+时效处理：步骤(1)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。固溶温度500℃并保温10h，然后淬入55℃的水中。待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；步骤(2)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理。深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2h，然后再完全浸入液氮中并保持12h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；步骤(3)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温。时效温度175℃并保温7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
上述处理完成后，采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
对比例6
铝合金选择市售的7075变形铝合金。然后将7075合金进行如下步骤的表面激光熔覆处理：步骤(1)：铝合金表面黑化处理。首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为10％的NaOH溶液中浸蚀2min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；步骤(2)：熔覆粉末的制备。Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13％、Si为3％、Ti为2％、B为2％、Y2O3为3％、CeO2为3％、La2O3为2％、Nd2O3为1％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.5％、SrO为0.1％、Fe为2％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为30min，粉末粒度150～300目，形状为球形或近球形；步骤(3)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆。激光功率为1800W，光斑直径5mm，扫描速度500mm/min，搭接率50％，送粉速度12g/min。
上述处理完成后，采用线切割的方法制备成热疲劳试样并进行热疲劳实验。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(20±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能，如表1所示。
通过表1可以看出：实施例是当前应用较为广泛的A356铸造铝合金和7075变形铝合金。经本发明专利工艺强化后，二者的热疲劳性能均有大幅度的提升，尤其是在400℃下热疲劳性能的提升有利于促使铝合金制品应用在较高温度或变温的工况环境中。对比例1和4是没有经过处理的A356铸造铝合金和7075变形铝合金，其热疲劳性能较差，极大地制约了铝合金材料在高温或变温工况环境中的应用。对比例2和5是经过固溶+深冷+时效处理的A356铸造铝合金和7075变形铝合金，对比例3和6是经过激光熔覆处理的A356铸造铝合金和7075变形铝合金。其中，固溶+深冷+时效处理属于传统铝合金材料的强化方法，而激光熔覆处理则是近年来兴起的新型铝合金表面强化方法。从表1实验结果可以发现：虽然这两种方法均能一定程度上改善铝合金材料的热疲劳性能，但是效果并不显著。对于固溶+深冷+时效处理方法而言，充分发挥了固溶和时效强化对铝合金热疲劳性能的提升作用，但并不能从根本上弥补铝合金材料耐热性不佳的问题；对于激光熔覆处理方法而言，可以在铝合金表面制备一层厚度合适的与基体呈冶金结合的耐热性较高的强化层，该强化层的热疲劳性能远远高于铝合金基体，促使热疲劳裂纹萌生源由铝合金表面或近表面位置向材料基体内部迁移，从而提高了铝合金材料的热疲劳性能。但是，受熔覆后熔覆层与基体之间结合区性能影响，即结合区存在柱状晶、偏析、形成脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力，在热疲劳工况下容易导致结合区处萌生裂纹，甚至熔覆层脱落的现象。相比较而言，采取本发明专利的复合强化工艺方法，既能够改善铝合金材料自身耐热性差的问题，有能够改善熔覆层与基体之间结合区性能缺陷的问题，从而极大地提高了铝合金材料的热疲劳性能。
总之，本发明专利提出的激光熔覆+固溶+深冷+时效的复合强化处理工艺方法可以显著提高铝合金的热疲劳性能。
表1不同工艺制备铝合金的热疲劳性能

Claims (3)

1.一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，其特征在于按照下述步骤进行：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，然后浸入质量分数为8～10％的NaOH溶液中浸蚀2～3min，以除去表面Al2O3薄膜及其它油污等污染物，最后用酒精清洗干净后风干备用；
(2)熔覆粉末的制备：Ni基粉末的化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y2O3为3～4％、CeO2为3～4％、La2O3为2～3％、Nd2O3为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni；将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min，粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形；
(3)激光熔覆工艺：利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式在黑化处理过的铝合金表面进行激光熔覆；
(4)对经过激光熔覆处理过的铝合金进行固溶处理、深冷处理和时效处理，即可提高铝合金材料热疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，其特征在于其中，步骤(3)：激光熔覆工艺重要参数如下：激光功率为1000～1800W，光斑直径3～5mm，扫描速度300～500mm/min，搭接率50％，送粉速度8～12g/min。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝合金材料热疲劳性能的工艺方法，其特征在于所述的固溶处理、深冷处理和时效处理处理过程按照下述步骤进行：
步骤(a)：固溶处理：当热处理炉温度达到300℃时，将激光熔覆处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温；固溶温度500～515℃并保温8～10h，然后淬入55～65℃的水中；待铝合金温度降至水温时取出，置于大气环境中并在室温下自然冷却和干燥；
步骤(b)：深冷处理：固溶处理完成10h以内要进行深冷处理；深冷处理在密闭的深冷处理罐中进行，预先需要在罐中装入占总体积二分之一的液氮，然后要将铝合金先置于液氮氛围中保持2～5h，然后再完全浸入液氮中并保持12～24h，最后取出并在大气环境中恢复至室温；
步骤(c)：时效处理：当热处理炉温度达到150℃时，将已经过深冷处理过的铝合金放入热处理炉中随炉一起升温；时效温度175～185℃并保温6～7h，最后取出并在大气环境中恢复至室温。
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