CN112063951A - 一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层及其施工方法,涉及镁铝合金加工技术领域。本发明包括带涂层本体;带涂层本体包括基体;基体表面由下至上分别设置有过渡涂层和熔覆层;一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,包括以下步骤:SS001、涂层材料的预制备、准备Ni基合金粉末、TiB2合金粉末和MoS2合金粉末,其中Ni基合金粉末和TiB2合金粉末种Ni基合金粉末的重量百分比为90%‑95%。本发明通过过渡涂层的设计,变传统镁铝合金的直接激光涂覆为间接激光涂覆,加工时,通过过渡层的设计,能够有效降低熔覆层与基体之间的应力差,并使两者的热导率和热膨胀系数相近,从而降低温度梯度引起的热应力。
Description
技术领域
本发明属于镁铝合金加工技术领域,特别是涉及一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层及其施工方法。
背景技术
镁铝合金密度低、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,镁铝合金硬度低、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覆层;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。
目前,激光熔覆技术因其环保、加热与冷却速度快、材料作用面积小、热变形小等优点已成为制备高性能金属表面涂层的主流技术之一;激光熔覆材料通常是两种以上的单质元素、化合物、陶瓷混合粉末,置于金属基体表层,经大功率激光器照射,使金属粉末在基体表层熔化,形成连续的熔覆层。
然而,现有的激光熔覆工艺通常采用送粉法将预置粉末置于金属基体上,这种方式粉末利用率不高,难以精确控制送粉量,并且金属基体上的混合粉末厚度不均,导致激光熔覆时涂层粉末受热不均,容易产生裂纹、气孔或部分未充分熔融,从而极大地影响表面熔覆层质量,且现有的镁铝合金加工技术通常所采用的方法均为在基体上进行直接激光熔覆,但是该种工艺下,由于基体与熔覆层的应力大小不同,导致其在熔覆时容易产生裂纹,继而降低熔覆效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层及其施工方法,通过过渡涂层的制备及熔覆层的制备及工艺设计,解决了现有的镁铝合金表面激光熔覆工艺表面容易产生裂纹进而导致激光熔覆效果差的问题。
为解决上述技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明为一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层,包括 带涂层本体;所述带涂层本体包括基体,所述基体表面由下至上分别设置有过渡涂层和熔覆层。
优选的,一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,包括以下步骤:
SS001、涂层材料的预制备、准备Ni基合金粉末、TiB2合金粉末和MoS2合金粉末,其中Ni基合金粉末和TiB2合金粉末种Ni基合金粉末的重量百分比为90%-95%;TiB2合金粉末的重量百分比为1%-3%,其余为MoS2合金粉末,采用搅拌机对上述两者进行短暂预混,短暂预混后,将预混的物料置入球磨机中进行球磨处理;球磨时,向球磨罐中通入纯度为99.9%的氩气,在高温氩气环境下高能球磨2h-5h,球料比为10:1,球磨完成后,对球磨完成的粉末进行等离子球化处理,最终得到粒度为300-800目的混合复合粉末;
SS002、基体预处理、以镁铝合金板材作为基体,选用50-100目的砂纸对基体进行预处理,打磨完成后将该基体用丙酮去油,并用火焰预热,预热温度为80℃,到达设定预热温度后,保持5min-15min,到达设定预热温度,对预热完毕的基体进行喷砂处理,最终得到的基体粗糙度为Ra5±1;
SS003、过渡涂层的制备、将SS001步骤中制备的混合复合粉末置入烘箱中烘焙2h-3h,烘焙温度为80℃,烘焙完成后,以火焰喷涂法采用喷枪对预处理完成后的基体整体喷涂1-4遍,继而在基体上形成纳米涂层,喷涂完成后,将喷涂完毕的基体置入热处理炉中930℃-950℃环境下热处理2-3h,热处理完成后,将处理完毕的基体冷却至室温,即在基体表面完成过渡涂层的制备;
SS004、熔覆粉末的制备、预备碳化钛、碳化钨、二硫化钼和纳米金刚石混合粉末,将上述粉末以4:3:2:1的比例进行配比;将上述配比完毕后的物料置入球磨机中进行处理,球磨处理时,球磨罐通入氩气以进行保护,球磨2h-4h后,得到表面均有尖晶石的熔覆混合粉末;
SS005、熔覆层的制备、向SS004步骤中制得的熔覆混合粉末中进入一定量的氧化钇、陶瓷金属复合粉末和丙三醇;将上述原料超声处理1h-3h,混粉过程保持较好的干燥度,最后得到胶黏态的熔覆粉末;
SS006、基体的再处理、选用50-100目的砂纸对SS003步骤中过渡涂层制备完毕后的基体进行再打磨,通过再打磨以使其表面平整,将打磨后的基体材料用去离子水冲洗,用丙酮或无水乙醇进行超声清洗6min-10min,再用去离子水冲洗后,冲洗完毕烘干;
SS007、涂覆、烘干完毕后将SS005步骤中制备的胶黏态混合粉末均匀涂覆于再处理完毕后的基体上,涂覆完毕后,采用火焰枪将上述黏态混合粉末烧结于再处理完毕后的基体上;
SS008、激光熔覆、将SS003步骤中再处理完毕后所得基体放入氩气保护箱中,其中基体应固定于底部有高能超声的钛合金板材上并用夹具固定;利用激光熔覆技术对材料进行处理,熔覆过程中,高能超声协同进行,其功率可控为0.05KW-0.7KW下的20KHz-10KHz,其中超声协同时采用分段多频超声法,其变化速率为0.5s频率变化一次,加工完毕后,即制得熔覆层。
优选的,所述SS002步骤中镁铝合金基体中的成分包括Al、Mn、La、Ce、Pr、Ni;所述镁铝合金基体中Al的质量分数为10.5wt/%、Mn的质量分数为1wt/%、La的质量分数为0.8wt/%、Ce的质量分数为0.8wt/%、Pr的质量分数为0.3wt/%、Ni的质量分数为5wt/%、其余为Mg和其它杂质。
优选的,所述SS003步骤中喷枪的工艺参数设定如下,喷枪距离为260-2800mm,喷枪位移为55mm/min,送粉速率为60-100g/min,02的压力为0.45-0.5MPa,N2的压力为0.35-0.45MPa,燃气压力为0.55MPa-0.65MPa。
优选的,所述SS008步骤中激光熔覆技术采用的设备为YAG固体脉冲激光器,其工艺参数设定如下:激光扫描功率范围为200w-1200w、激光扫描速度为2.5mm/s-11.2mm/s、激光搭接率为23%-27%、离焦量为0mm~30mm、激光熔覆过程中采用纯度99.99%的氩气作为保护气体;气流量10L/min~15L/min。
优选的,所述SS004步骤中球磨完毕后熔覆混合粉末的粒径大小为2um-8um。
优选的,所述SS005步骤中陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末为碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒中的一种或任意比例的混合物,陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末为铁基、钴基、镍基、铜基、钛基、镁基、铝基或金属间化合物基的合金粉末;陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末的粒径为0.1微米~500微米,质量分数为70%~99.9%;陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末的粒径为0.1微米~500微米;质量分数为0.1%~30%。
优选的,所述SS005步骤中,氧化钇的重量为粉末总重量的1%-3%;陶瓷金属复合粉末的重量为粉末总重量的0.5%-4%;丙三醇为总体积的3%-6%。
优选的,所述SS007步骤中黏态混合粉末的涂覆厚度为0.5mm-1mm;所述SS008中熔覆层的厚度为1mm-3.5mm。
优选的,所述SS005步骤中所选用的氧化钇的粉末粒径为1um-7um。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明通过过渡涂层的设计,变传统镁铝合金的直接激光涂覆为间接激光涂覆,加工时,通过过渡层的设计,能够有效降低熔覆层与基体之间的应力差,并使两者的热导率和热膨胀系数相近,从而降低温度梯度引起的热应力,同时通过上述过渡层的设计,能够有效增强基体与熔覆层直接的应变协调性,通过应力差的减小及协调性的提高,继而有效降低熔覆层发生裂纹的概率,继而增强该装置的激光熔覆效果。
2、本发明通过熔覆层中碳化钛、碳化钨、二硫化钼和纳米金刚石混合粉末等材料的设计,一方面能够使熔覆层获得较高的硬度,从而达到抗磨目的,另一方面通过二硫化钼润滑粉末的增加,使熔覆层具有一定的润滑性,继而起到减磨作用,纳米金刚石粉末润滑粉末则在熔覆层摩擦服役过程中转变为石墨,从而使熔覆层达到越磨损越润滑的效果,
3、本发明通过制备过程中氧化钇稀土元素的增加,能够有效提高熔覆合金的结晶成核率,有效的细化涂层晶粒,并提高熔覆层的强韧性,同时通过上述原料的增加,能够有效减少涂层内部的夹杂等缺陷,进而改善熔覆层的表面质量。
4、本发明通过高能超声的引入可在熔体凝固过程中进一步圆整化熔体晶粒,使之更加细小均匀,可直接提高材料表面硬度。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的结构示意图;
图2为一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法的流程示意图;
附图中,各标号所代表的部件列表如下:1、带涂层本体;101、基体;102、过渡涂层;103、熔覆层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明为一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层,包括带涂层本体1;所述带涂层本体1包括基体101,所述基体101表面由下至上分别设置有过渡涂层102和熔覆层103。
进一步如图2所示,一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,包括以下步骤:
SS001、涂层102材料的预制备、准备Ni基合金粉末、TiB2合金粉末和MoS2合金粉末,其中Ni基合金粉末和TiB2合金粉末种Ni基合金粉末的重量百分比为95%;TiB2合金粉末的重量百分比为2%,其余为MoS2合金粉末,采用搅拌机对上述两者进行短暂预混,短暂预混后,将预混的物料置入球磨机中进行球磨处理;球磨时,向球磨罐中通入纯度为99.9%的氩气,在高温氩气环境下高能球磨2h,球料比为10:1,球磨完成后,对球磨完成的粉末进行等离子球化处理,最终得到粒度为600目的混合复合粉末;
SS002、基体101预处理、以镁铝合金板材作为基体101,选用50-100目的砂纸对基体101进行预处理,打磨完成后将该基体101用丙酮去油,并用火焰预热,预热温度为80℃,到达设定预热温度后,保持10min,到达设定预热温度,对预热完毕的基体101进行喷砂处理,最终得到的基体101粗糙度为Ra5;
SS003、过渡涂层102的制备、将SS001步骤中制备的混合复合粉末置入烘箱中烘焙2h,烘焙温度为80℃,烘焙完成后,以火焰喷涂法采用喷枪对预处理完成后的基体101整体喷涂3遍,继而在基体101上形成纳米涂层,喷涂完成后,将喷涂完毕的基体101置入热处理炉中930℃环境下热处理3h,热处理完成后,将处理完毕的基体101冷却至室温,即在基体101表面完成过渡涂层102的制备;
SS004、熔覆粉末的制备、预备碳化钛、碳化钨、二硫化钼和纳米金刚石混合粉末,将上述粉末以4:3:2:1的比例进行配比;将上述配比完毕后的物料置入球磨机中进行处理,球磨处理时,球磨罐通入氩气以进行保护,球磨2h-4h后,得到表面均有尖晶石的熔覆混合粉末;
SS005、熔覆层的制备、向SS004步骤中制得的熔覆混合粉末中进入一定量的氧化钇、陶瓷金属复合粉末和丙三醇;将上述原料超声处理2h,混粉过程保持较好的干燥度,最后得到胶黏态的熔覆粉末;
SS006、基体101的再处理、选用80目的砂纸对SS003步骤中过渡涂层102制备完毕后的基体101进行再打磨,通过再打磨以使其表面平整,将打磨后的基体101材料用去离子水冲洗,用丙酮或无水乙醇进行超声清洗6min,再用去离子水冲洗后,冲洗完毕烘干;
SS007、涂覆、烘干完毕后将SS005步骤中制备的胶黏态混合粉末均匀涂覆于再处理完毕后的基体101上,涂覆完毕后,采用火焰枪将上述黏态混合粉末烧结于再处理完毕后的基体101上;
SS008、激光熔覆、将SS003步骤中再处理完毕后所得基体101放入氩气保护箱中,其中基体101应固定于底部有高能超声的钛合金板材上并用夹具固定;利用激光熔覆技术对材料进行处理,熔覆过程中,高能超声协同进行,其功率可控为0.05KW下的20KHz,其中超声协同时采用分段多频超声法,其变化速率为0.5s频率变化一次,加工完毕后,即制得熔覆层103。
进一步的,所述SS002步骤中镁铝合金基体101中的成分包括Al、Mn、La、Ce、Pr、Ni;所述镁铝合金基体101中Al的质量分数为10.5wt/%、Mn的质量分数为1wt/%、La的质量分数为0.8wt/%、Ce的质量分数为0.8wt/%、Pr的质量分数为0.3wt/%、Ni的质量分数为5wt/%、其余为Mg和其它杂质。
进一步的,所述SS003步骤中喷枪的工艺参数设定如下,喷枪距离为1000mm,喷枪位移为55mm/min,送粉速率为80g/min,02的压力为0.5MPa,N2的压力为0.5MPa,燃气压力为0.5MPa。
进一步的,所述SS008步骤中激光熔覆技术采用的设备为YAG固体脉冲激光器,其工艺参数设定如下:激光扫描功率范围为1000w、激光扫描速度为10mm/s、激光搭接率为25%、离焦量为15mm、激光熔覆过程中采用纯度99.99%的氩气作为保护气体;气流量12L/min;所述SS004步骤中球磨完毕后熔覆混合粉末的粒径大小为6um。
进一步的,所述SS005步骤中陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末为碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒中的一种或任意比例的混合物,陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末为铁基、钴基、镍基、铜基、钛基、镁基、铝基或金属间化合物基的合金粉末;陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末的粒径为200微米,质量分数为80%;陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末的粒径为200微米;质量分数为5%。
进一步的,所述SS005步骤中,氧化钇的重量为粉末总重量的1%;陶瓷金属复合粉末的重量为粉末总重量的0.5%;丙三醇为总体积的3%;所述SS007步骤中黏态混合粉末的涂覆厚度为0.5mm;所述SS008中熔覆层103的厚度为3mm;所述SS005步骤中所选用的氧化钇的粉末粒径为2um。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层,包括带涂层本体(1);所述带涂层本体(1)包括基体(101),其特征在于:所述基体(101)表面由下至上分别设置有过渡涂层(102)和熔覆层(103)。
2.根据权利要求1所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,包括以下步骤:
SS001、涂层材料的预制备、准备Ni基合金粉末、TiB2合金粉末和MoS2合金粉末,其中Ni基合金粉末和TiB2合金粉末种Ni基合金粉末的重量百分比为90%-95%;TiB2合金粉末的重量百分比为1%-3%,其余为MoS2合金粉末,采用搅拌机对上述两者进行短暂预混,短暂预混后,将预混的物料置入球磨机中进行球磨处理;球磨时,向球磨罐中通入纯度为99.9%的氩气,在高温氩气环境下高能球磨2h-5h,球料比为10:1,球磨完成后,对球磨完成的粉末进行等离子球化处理,最终得到粒度为300-800目的混合复合粉末;
SS002、基体(101)预处理、以镁铝合金板材作为基体(101),选用50-100目的砂纸对基体(101)进行预处理,打磨完成后将该基体(101)用丙酮去油,并用火焰预热,预热温度为80℃,到达设定预热温度后,保持5min-15min,到达设定预热温度,对预热完毕的基体(101)进行喷砂处理,最终得到的基体(101)粗糙度为Ra5±1;
SS003、过渡涂层(102)的制备、将SS001步骤中制备的混合复合粉末置入烘箱中烘焙2h-3h,烘焙温度为80℃,烘焙完成后,以火焰喷涂法采用喷枪对预处理完成后的基体(101)整体喷涂1-4遍,继而在基体(101)上形成纳米涂层,喷涂完成后,将喷涂完毕的基体(101)置入热处理炉中930℃-950℃环境下热处理2-3h,热处理完成后,将处理完毕的基体(101)冷却至室温,即在基体(101)表面完成过渡涂层(102)的制备;
SS004、熔覆粉末的制备、预备碳化钛、碳化钨、二硫化钼和纳米金刚石混合粉末,将上述粉末以4:3:2:1的比例进行配比;将上述配比完毕后的物料置入球磨机中进行处理,球磨处理时,球磨罐通入氩气以进行保护,球磨2h-4h后,得到表面均有尖晶石的熔覆混合粉末;
SS005、熔覆层的制备、向SS004步骤中制得的熔覆混合粉末中进入一定量的氧化钇、陶瓷金属复合粉末和丙三醇;将上述原料超声处理1h-3h,混粉过程保持较好的干燥度,最后得到胶黏态的熔覆粉末;
SS006、基体(101)的再处理、选用50-100目的砂纸对SS003步骤中过渡涂层(102)制备完毕后的基体(101)进行再打磨,通过再打磨以使其表面平整,将打磨后的基体(101)材料用去离子水冲洗,用丙酮或无水乙醇进行超声清洗6min-10min,再用去离子水冲洗后,冲洗完毕烘干;
SS007、涂覆、烘干完毕后将SS005步骤中制备的胶黏态混合粉末均匀涂覆于再处理完毕后的基体(101)上,涂覆完毕后,采用火焰枪将上述黏态混合粉末烧结于再处理完毕后的基体(101)上;
SS008、激光熔覆、将SS003步骤中再处理完毕后所得基体(101)放入氩气保护箱中,其中基体(101)应固定于底部有高能超声的钛合金板材上并用夹具固定;利用激光熔覆技术对材料进行处理,熔覆过程中,高能超声协同进行,其功率可控为0.05KW-0.7KW下的20KHz-10KHz,其中超声协同时采用分段多频超声法,其变化速率为0.5s频率变化一次,加工完毕后,即制得熔覆层(103)。
3.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS002步骤中镁铝合金基体(101)中的成分包括Al、Mn、La、Ce、Pr、Ni;所述镁铝合金基体(101)中Al的质量分数为10.5wt/%、Mn的质量分数为1wt/%、La的质量分数为0.8wt/%、Ce的质量分数为0.8wt/%、Pr的质量分数为0.3wt/%、Ni的质量分数为5wt/%、其余为Mg和其它杂质。
4.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS003步骤中喷枪的工艺参数设定如下,喷枪距离为260-2800mm,喷枪位移为55mm/min,送粉速率为60-100g/min,02的压力为0.45-0.5MPa,N2的压力为0.35-0.45MPa,燃气压力为0.55MPa-0.65MPa。
5.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS008步骤中激光熔覆技术采用的设备为YAG固体脉冲激光器,其工艺参数设定如下:激光扫描功率范围为200w-1200w、激光扫描速度为2.5mm/s-11.2mm/s、激光搭接率为23%-27%、离焦量为0mm~30mm、激光熔覆过程中采用纯度99.99%的氩气作为保护气体;气流量10L/min~15L/min。
6.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS004步骤中球磨完毕后熔覆混合粉末的粒径大小为2um-8um。
7.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS005步骤中陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末为碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒中的一种或任意比例的混合物,陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末为铁基、钴基、镍基、铜基、钛基、镁基、铝基或金属间化合物基的合金粉末;陶瓷金属复合粉末中所含的陶瓷粉末的粒径为0.1微米~500微米,质量分数为70%~99.9%;陶瓷金属复合粉末中所含的金属粉末的粒径为0.1微米~500微米;质量分数为0.1%~30%。
8.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS005步骤中,氧化钇的重量为粉末总重量的1%-3%;陶瓷金属复合粉末的重量为粉末总重量的0.5%-4%;丙三醇为总体积的3%-6%。
9.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS007步骤中黏态混合粉末的涂覆厚度为0.5mm-1mm;所述SS008中熔覆层(103)的厚度为1mm-3.5mm。
10.根据权利要求2所述的一种镁铝合金表面激光熔覆自润滑涂层的施工方法,其特征在于,所述SS005步骤中所选用的氧化钇的粉末粒径为1um-7um。
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