CN113278961A - 一种提高铝合金耐磨性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料表面改性技术领域，公开了一种提高铝合金耐磨性的方法。首先在铝合金表面采用激光熔覆的方法制备一层涂层，然后对涂层进行激光冲击处理，二者协调强化后极大地提高了材料的摩擦磨损性能，延长使用寿命。一方面熔覆的涂层是铜基记忆合金粉末，本身与铝合金具有良好的冶金结合性能，且具有优良的高温强度和散热性。在重载或高温摩擦过程中，热量若累积达到相变点，会发生马氏体相变，起到强化涂层而提高耐磨性的作用；另一方面激光冲击可以细化熔覆涂层的组织晶粒，预制残余压应力，改善熔覆层与基体间的结合性能，从而有效提高涂层的强度和硬度，改善耐磨性。

Description

一种提高铝合金耐磨性的方法
技术领域
本发明属于材料表面改性技术领域，尤其涉及一种提高铝合金耐磨性的方法，特指一种适用于激光熔覆和激光冲击复合处理协调强化提高铝合金表面熔覆涂层与基体结合强度及其涂层耐磨性的方法。
背景技术
当前，资源短缺和环境污染已经成为人类在地球生存和发展面临的首要难题。采用轻量化的方法减少资源消耗和降低碳排放是现行最直接最有效的方法，这使得以铝合金材料为首的轻量化材料得到迅猛发展与应用。以汽车工业为例：汽车重量每减少100Kg，油耗和CO2排放可分别减少0.35L/100km和8.4g/km，而且汽车自重降低会使汽车起步加速性能更好，制动距离显著缩短。汽车轻量化作为降低能源消耗和废气排放的重要手段得到了世界各国的高度重视，已经成为各国品牌汽车提高自身竞争力的重要手段。根据国际铝协统计，汽车铝化率将不断提升，二十世纪初每辆轿车铝用量约为121kg，2020年平均用量达到180kg。然而，铝合金构件在运行过程中离不开摩擦。据统计，全世界大约有1/3～1/2的能源消耗在各种形式的摩擦上，约有80％的铝合金零件失效是各种形式的磨损引起的。摩擦侧重研究的是抵抗两物体接触表面在外力作用下发生切向相对运动的现象。磨损着重研究与分析材料和机件在不同工况下的磨损机理、发生规律和磨损特性。
随着人类社会的发展与进步，对各种装备及其制作材料的承载、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。铝合金作为重要的轻量化材料，对铝合金构件进行摩擦磨损研究，控制铝合金构件的摩擦行为，降低磨损是目前提高能源利用率增加设备寿命从而达到节能减排的重要手段，使其有效可靠的应用在各种极端复杂工况环境中是亟待解决的问题。
采用以铝合金材料为首的轻量化材料，能够有效减少资源消耗和降低碳排放，可望缓解全球范围内面临的资源短缺和环境污染问题。然而，据统计目前约有80％的铝合金零件会因为各种形式的磨损引发失效。也就是说，铝合金较差的耐磨性已经成为制约其广泛应用的重要性能瓶颈，亟待提升。因此，提高铝合金的耐磨性，无论是对延长现有铝合金构件的使用寿命还是对扩宽铝合金材料的应用范畴均具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种提高铝合金耐磨性的方法，可望降低铝合金构件在摩擦条件下的磨损失重，显著提升铝合金材料的耐磨性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种提高铝合金耐磨性的方法，本发明首先在铝合金表面采用激光熔覆的方法制备一层涂层，然后对涂层进行激光冲击处理，二者协调强化后极大地提高了材料的摩擦磨损性能，延长使用寿命，拓展其应用领域。其具体步骤为：
(1)铝合金表面黑化处理：
首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备：
铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为26～29％、Al为4.0～4.5％、Mn为0.8～1.0％、Mg为0.6～0.8％、Ni为0.6～0.8％、复合稀土为0.1～0.2％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。
按比例制得上述铜基记忆合金粉末后，在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
其中，上述提及的Cu基粉末的优选成分为：化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理，清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率：1500W；光斑直径：3mm；搭接率：40％。
其中，为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度(y，单位：um)应小于800um，扫描速度(x1，单位：mm/min)和送粉速度(x2，单位：g/min)的选择需要根据如下模型计算：y＝-0.13x1 2+8.905x1-32.742x2 2+581.42x2-3316.1。
其中，扫描速度优选为：300～480mm/min；送粉速度优选为：7～12g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。
采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。
为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，应确保表面粗糙度小于Ra 0.35um。为此，激光能量(a1，单位：J)、冲击后熔覆涂层可以达到的强度(a2，单位：MPa)和表面粗糙度(Z，单位：um)的选择应根据如下模型计算：
Figure BDA0003022312250000031
其中，激光能量优选为4～8J。
本发明的有益效果为：
对于摩擦磨损损伤的铝合金构件，一般情况只能拆卸下来并采取焊接修复，其焊接工艺要求高，造成维护工作难度大且成本较高。对于重要零部件，为了保证应用性能，就只好更换新构件，造成巨大的浪费。本发明内容激光熔覆+激光冲击属于增材制造方式，一方面熔覆的涂层是铜基记忆合金粉末，本身与铝合金具有良好的冶金结合性能，且具有优良的高温强度和散热性。在重载或高温摩擦过程中，热量若累积达到相变点，会发生马氏体相变，起到强化涂层而提高耐磨性的作用；另一方面激光冲击可以细化熔覆涂层的组织晶粒，预制残余压应力，改善熔覆层与基体间的结合性能，从而有效提高涂层的强度和硬度，改善耐磨性。通过本发明的实施，能够显著提高铝合金耐磨性，既能降低由铝合金磨损失效带来的经济损失，同时也能显著铝合金构件的服役特性。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明技术方案作进一步说明，从而了解本发明技术的目的、特征及优点。需要注意的是，以下描述的实施例仅用于说明本发明而不用于限定本发明的可实施范围。
实铝合金的磨损实验在MMU-5GA微机控制高温摩擦磨损试验机上进行。试样尺寸：Φ4.8mm×12.7mm的销试样，对磨材料为GCr15钢加工成Φ54mm×8mm的盘试样。每个试样在进行磨损试验前后都要在超声波清洗机中进行清洗，清洗液是浓度为20％的丙酮溶液，清洗时间为6min。然后在50℃保温炉中进行烘干20min，最大程度的降低试样的表面污染程度。最后待试样冷却至室温后进行称重。称重采用MA110型电子天平，其精度为0.1mg。耐磨性用磨损失重来表达。采用干滑动摩擦磨损，实验温度采取25℃和200℃，载荷选取150N，转动速度为50r/min，磨损时间为20min。
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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为26％、Al为4.0％、Mn为0.8％、Mg为0.6％、Ni为0.6％、复合稀土为0.1％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接率40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度300mm/min；送粉速度7g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量4J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为29％、Al为4.5％、Mn为1.0％、Mg为0.8％、Ni为0.8％、复合稀土为0.2％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接率40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度480mm/min；送粉速度12g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量8J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例3
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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度360mm/min；送粉速度9g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量6J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为26％、Al为4.0％、Mn为0.8％、Mg为0.6％、Ni为0.6％、复合稀土为0.1％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接率40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度300mm/min；送粉速度7g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量4J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例5
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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为29％、Al为4.5％、Mn为1.0％、Mg为0.8％、Ni为0.8％、复合稀土为0.2％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接率40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度480mm/min；送粉速度12g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量8J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例6
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：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度360mm/min；送粉速度9g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(6)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量6J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例1
铝合金选择市售的A356铸造铝合金，首先磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度小于Ra 0.35um。然后对其进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表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强化处理：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度360mm/min；送粉速度9g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.35um。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表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强化处理：
(1)磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(2)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量6J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例4
铝合金选择市售的7075变形铝合金，首先磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度小于Ra 0.35um。然后对其进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例5
铝合金选择市售的7075变形铝合金，然后将A356合金进行如下步骤的强化处理：
(1)铝合金表面黑化处理：首先砂纸打磨并抛光，粗糙度<Ra 3.2um；然后去除表面油污和锈迹，再浸入质量分数为5％的NaOH溶液中浸蚀1min，以除去表面Al2O3薄膜；最后用酒精清洗干净后风干备用。
(2)熔覆粉末的制备。铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温20～30min，以去除水分影响。
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理。清理后的铝合金应进行预热处理，温度120～150℃。激光熔覆工艺参数为：激光功率1500W；光斑直径3mm；搭接40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层的厚度小于800um，扫描速度360mm/min；送粉速度9g/min。
(4)退火处理。在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
(5)磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.35um。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例6
铝合金选择市售的7075变形铝合金，然后将A356合金进行如下步骤的强化处理：
(1)磨掉表面氧化皮，抛光使铝合金表面平整，粗糙度达到Ra 0.5um。
(2)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径3.0mm；搭接率50％；脉宽20ns；波长1064nm。为确保激光冲击后铝合金表面具有较小的摩擦系数而具有优良的耐磨性，确保表面粗糙度小于Ra 0.35um，激光能量6J。
对上述工艺方法制备的铝合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
表1不同工艺制备铝合金的摩擦磨损性能
Figure BDA0003022312250000101
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，二者的摩擦磨损性能均有大幅度的提升，尤其是在200℃下摩擦磨损性能的提升效果明显，有利于拓展铝合金的应用领域。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，其耐磨性较差。对比例2和5是经过激光熔覆处理的A356铸造铝合金和7075变形铝合金，对比例3和6是经过激光冲击处理的A356铸造铝合金和7075变形铝合金。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耐磨性，但是效果并不显著。对于激光熔覆处理方法而言，在铝合金表面制备强化层，其耐磨性优于基体铝合金，但受激光熔覆过程中热量传输和应力应变影响，熔覆层以及与基材结合的熔合区+热影响区极易形成柱状晶、偏析、形成脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力，削弱了激光熔覆的表面强化作用。对于激光冲击处理方法而言，仅在铝合金表层起到细化晶粒和预制残余压应力的作用，作用范围有限。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磨性差的问题，还能够改善熔覆层以及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摩擦磨损性能。
总之，本发明专利提出的激光熔覆+激光冲击的复合强化处理工艺方法可以显著提高铝合金的摩擦磨损性能。

Claims (9)

1.一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)铝合金表面黑化处理：
首先砂纸打磨并抛光，然后去除表面油污和锈迹，再浸入NaOH溶液中浸蚀，最后用酒精清洗干净后风干备用；
(2)熔覆粉末的制备：
铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为26～29％、Al为4.0～4.5％、Mn为0.8～1.0％、Mg为0.6～0.8％、Ni为0.6～0.8％、复合稀土为0.1～0.2％、余量为Cu，粉末粒度100～240目；
按比例制得所述铜基记忆合金粉末后，在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为5～10min，确保粉末形状为球形或近球形；然后真空保温箱内保温去除水分；
(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对铝合金表面进行激光熔覆处理，清理后的铝合金再进行预热处理；
熔覆层的厚度y和扫描速度、送粉速度的选择需要根据如下模型计算：y＝-0.13x1 2+8.905x1-32.742x2 2+581.42x2-3316.1；
式中，y，熔覆层的厚度，单位：um；
x1，扫描速度，单位：mm/min；
x2，送粉速度，单位：g/min；
(4)退火处理；
(5)打磨，磨掉表面氧化皮，使铝合金表面平整；
(6)激光冲击工艺：
采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为铝箔，
激光能量a1，冲击后熔覆涂层可以达到的强度a2和冲击后熔覆涂层可以达到的表面粗糙度Z的选择应根据如下模型计算：
Figure FDA0003022312240000011
式中，a1，激光能量，单位：J；
a2，冲击后熔覆涂层可以达到的强度，单位：MPa；
Z，冲击后熔覆涂层可以达到的表面粗糙度，单位：um。
2.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(1)中，砂纸打磨并抛光要求粗糙度<Ra 3.2um；NaOH溶液的质量百分浓度为5％，浸蚀时间为1min。
3.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(2)中，铜基记忆合金粉末的化学成分按质量百分比计算，Zn为27.5％、Al为4.2％、Mn为0.9％、Mg为0.7％、Ni为0.7％、复合稀土为0.15％、余量为Cu。
4.如权利要求1或3中所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合稀土的化学成分为：Ce为55％、La为24％、Nd为10％、Er为5％、Ti为5％、B为1％。
5.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(2)中，真空保温箱的温度为50～60℃，保温时间为20～30min。
6.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(3)中，激光熔覆工艺参数为：激光功率：1500W；光斑直径：3mm；搭接率：40％；熔覆层的厚度y小于800um，扫描速度为：300～480mm/min；送粉速度为：7～12g/min；预热处理的温度为120～150℃。
7.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(4)中，退火处理的具体步骤为：在200～300℃保温24h后，随炉冷却。
8.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(5)中，打磨后粗糙度要求达到Ra 0.5um。
9.如权利要求1所述的一种提高铝合金耐磨性的方法，其特征在于，步骤(6)中，吸收层的铝箔厚度为0.3mm；激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm；激光能量为4～8J，冲击后熔覆涂层可以达到的表面粗糙度小于Ra 0.35um。
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