CN111349930A - 一种铝合金激光表面复合改性方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金激光表面复合改性方法，涉及铝合金的表面改性处理领域。包括以下步骤：1)对铝合金进行激光表面重熔处理，得到厚度为0.5‑1mm的重熔改性层；2)采用超短脉冲激光在重熔试样表面进行激光织构化处理，得到规则排列的表面微织构。本发明的方法在提高铝合金硬度的基础上，又增加了收集磨屑和存储润滑剂的能力，可实现激光重熔‑微织构的协同作用。

Description

一种铝合金激光表面复合改性方法
技术领域
本发明涉及铝合金的表面改性处理领域，具体地说，是一种激光表面重熔和超短脉冲激光表面微织构的复合处理方法，属于先进制造技术领域。
背景技术
铝及其合金具有密度小、重量轻、比强度高、导电性好、耐蚀性好等优点，被广泛应用于航天、航空、汽车、交通运输、电子电器等领域。汽车用铝合金可分为铸造和变形铝合金两种，常被用于制造发动机缸体、缸盖、活塞、轴承座等，铸铝使用比例为77％。但是铝合金的硬度较低，在摩擦过程中容易损伤基体，导致其摩擦学性能较差，所以需要对铝合金进行表面强化处理，以提高铝合金的综合性能。
激光表面重熔具有较高的凝固速率(105-108K/s)，可通过快速熔化和固化来细化微观结构，进而提高材料的力学和机械性能。如铸造过共晶铝硅合金中包含着粗大的初晶Si和共晶Si，摩擦时初晶Si会严重割裂铝基体，降低材料性能，Tomida通过激光表面重熔铝硅合金发现：重熔区的微观组织由细小的初生Si相、初生α-Al相和细小(Al+Si)共晶相组成，重熔区的硬度和耐磨性随初生Si相尺寸的减小而增加。(S Tomida,K Nakata,SShibata,et al.Improvement in wear resistance of hyper-eutectic Al–Si castalloy by laser surface remelting[J].Surface and Coatings Technology,2003,169:468–471.)
表面形貌和粗糙度对摩擦学性能也有重要影响，在微尺度或纳米尺度上制备特定的表面结构可以有效改善材料表面的摩擦学特性，表面微织构产生的图案能够产生附加的流体动力压力，从而增加表面的承载能力。在干燥的滑动条件下，表面织构可用于捕获磨损碎屑，阻止磨损的加剧，润滑滑动时，可起到增强机油供应(润滑剂储存器)的效果，从而降低摩擦系数和磨损率，提高材料耐磨性和润滑寿命。常见的表面织构加工方式有机械加工、离子束刻蚀、激光加工等，其中激光加工具有效率高、精度高、无污染等优点。激光表面微织构的形状、几何参数和润滑状态等都会影响织构的摩擦学性能，可通过激光波长、脉冲数、脉冲宽度、光斑尺寸等参量控制织构的形状和几何参数。
刘强研究了激光表面织构化对铝合金摩擦性能的影响，发现圆形凹坑微织构对基体表面的减摩抗磨有明显的作用，表现为摩擦系数减小，磨损程度降低，凹坑直径为60μm，面密度为4.91％时具有最佳效果。(刘强，刘思思，刘金刚，等.激光微织构化铝合金表面的摩擦磨损研究，有色金属工程，2019，9(9):67-72.)
由于实际生产条件比较复杂，有时候单一的表面处理方法不能够满足实际摩擦要求。如加载载荷过大时表面织构承受较大压强，磨损较快，织构容易被磨平而失效，铝基体被暴露出来，而铝基体的硬度较低，使得磨损加剧。所以需要进行多种表面改性处理，来协同改善铝合金的摩擦学性能。
发明内容
本发明提供了一种铝合金激光表面复合改性方法，旨在改善铝合金表面的摩擦学性能。
本发明采用以下技术方案：一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于包括以下步骤：(1)通过激光表面重熔技术在铝合金表面制备得到均匀细化的重熔层；(2)然后在重熔层上采用超短脉冲激光进行刻蚀处理得到微织构，最终获得激光重熔-微织构复合处理改性层。
进一步，步骤(1)对铝合金进行激光表面重熔处理，在铝合金表面得到厚度为0.5-1mm的均匀重熔层。
进一步，步骤(2)超短脉冲激光加工的脉宽小于10ps。
进一步，步骤(2)超短脉冲激光加工的光斑直径为十微米到几十微米；
进一步，步骤(2)超短脉冲激光加工的扫描间距大于光斑直径，一般为几十到几百微米；
进一步，步骤(2)超短脉冲激光刻蚀的深度为3-20微米。
刻蚀的凹坑形状为：圆形凹坑阵列、三角形凹坑阵列、方形凹坑阵列、条状凹痕、网格凹痕等。
本发明采用激光表面重熔-微织构复合处理铝合金的方法，优点如下：
1)采用激光表面重熔技术处理铝合金，得到了厚度为0.5-1mm的重熔层，试样整体变形较小，重熔后组织均匀细化，硬度与未处理的相比明显增加，可提高试样的耐磨损寿命。
2)润滑条件下，微织构不仅可起到收集磨屑，避免磨屑参与磨损的作用，还可以存储润滑油，实现二次润滑。
3)激光表面重熔技术和激光表面微织构技术相结合，可发挥协同作用改善铝合金表面的摩擦学性能。
4)本发明技术方案适用范围广，不仅适用于铝合金表面耐磨性的处理，也适用于钛合金等其他金属材料表面耐磨性的处理。
附图说明
图1是本发明复合处理方法的一种示意图，对应的刻蚀凹坑形状为网格凹痕。
图2是本发明实施例1中原始铝硅合金的SEM和EDS图。
图3是本发明实施例1中激光表面重熔铝硅合金的截面SEM和EDS图。
图4是本发明实施例1中激光表面重熔铝硅合金的截面硬度变化图。
图5是本发明实施例1中激光重熔-织构复合处理铝硅合金的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明不限于以下实施例。
实施例1
一种铝合金激光表面复合改性方法，包括步骤：
步骤一：原料准备
(1)原料：铝硅合金：Al：80％，Si：20％，尺寸：100×50×10mm3。
(2)磨抛处理：用400#，800#的砂纸打磨原始铝硅合金，磨至平整，然后做进一步抛光处理。
(3)去除氧化膜：铝合金极易氧化，在表面形成一层氧化膜，进行激光表面重熔处理前需去除氧化膜，先用15％氢氧化钠溶液碱洗，然后用10％稀硝酸溶液酸洗，即可除去铝硅合金表面形成的氧化膜。
步骤二：激光表面重熔处理
铝合金具有较高的反射率，为增强铝合金的吸收率，在其表面预置一层铝硅粉末(铝硅粉末重量百分比为Al:Si＝4:1)，采用IPG光纤激光器YLS-6000进行激光重熔，激光参数为：光斑尺寸：6mm×1mm，激光功率：4kW，扫描速率：20mm/s，添加氩气保护气，气体流量为20L/min，搭接率为16.7％；得到厚度约为770μm的重熔层。
步骤三激光表面微织构处理
激光表面微织构处理前，丙酮超声清洗试样15min，以清除表面的油污。采用Trumpf-5000型超快固体激光器在光滑的重熔铝硅合金表面做激光微织构处理，超短脉冲激光加工微织构的参数为：脉宽800fs，重频600kHz，光束质量因子M2＝1.15，波长515nm，能量密度为1.91J/cm2，光斑直径为50μm，扫描间距为100μm，加工方法为90°交叉扫描刻蚀，加工后得到凸起方形柱微织构，刻蚀深度约8μm左右。将处理好的铝合金放置在丙酮溶液中超声清洗15min，然后再在无水乙醇中超声清洗10min，以除去表面的污渍和毛刺。

Claims (7)

1.一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过激光表面重熔技术在铝合金表面制备得到均匀细化的重熔层；(2)然后在重熔层上采用超短脉冲激光进行刻蚀处理得到微织构，最终获得激光重熔-微织构复合处理改性层。
2.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，步骤(1)对铝合金进行激光表面重熔处理，在铝合金表面得到厚度为0.5-1mm的均匀重熔层。
3.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，步骤(2)超短脉冲激光加工的脉宽小于10ps。
4.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，步骤(2)超短脉冲激光加工的光斑直径为十微米到几十微米。
5.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，步骤(2)超短脉冲激光加工的扫描间距大于光斑直径，一般为几十到几百微米。
6.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，步骤(2)超短脉冲激光刻蚀的深度为3-20微米。
7.按照权利要求1所述的一种铝合金激光表面复合改性方法，其特征在于，刻蚀的凹坑形状为：圆形凹坑阵列、三角形凹坑阵列、方形凹坑阵列、条状凹痕、网格凹痕等中的一种或几种。
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