CN113463088A - 铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，用于解决传统的单一层熔覆技术中存在的陶瓷颗粒与金属粉末的物理性能差异太大造成的涂层质量较低，产生开裂、脱落等问题。其中，熔覆铝基‑SiC梯度涂层，是通过五种不同配比的铝基合金粉末经过熔覆工艺成型的，相邻熔覆层熔覆路径方向相反，形成一号至五号共合金粉熔覆层。且SiC陶瓷颗粒在第一至第五号粉末中，自0％开始，即按照5％的梯度增加。本发明在制动盘表面熔覆SiC陶瓷颗粒多层梯度复合涂层，利用每一层熔覆层的相容性，进行制动盘的耐磨层进行制备，并利用每一层涂层材料的梯度性，将陶瓷颗粒包附在涂层中，使得涂层质量得到提高。

Description

铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法
技术领域
该发明涉及铝合金制动盘表面耐磨涂层的制备方法技术领域，尤其是一种通过熔覆技术进行铝基-SiC梯度涂层的制备方法。
背景技术
制动盘作为制动系统的主要组成部分其力学性能直接影响制动稳定性。制动频率与使用寿命呈正相关的线性关系。在连续制动且制动时间较长的情况下，摩擦副产生的局部摩擦热会使得制动盘产生热氧化、热衰退及热变形等现象，对制动性能产生一定的影响；同时，摩擦热产生的高温使制动盘“软化”，加剧其磨损程度。目前世界制动盘主要以整体铸造的铸铁、铝合金为主，由于两者在耐磨性、耐高温性、强度等方面表现一般，经过长时间的磨损后会造成严重的制动力不足、异响等问题增加维修成本，所以对制动盘的材料和加工工艺的改进刻不容缓。
耐磨涂层的制备和应用可在很大程度上改变材料表面的耐磨性，使机械设备在各种环境下稳定运行，有效延长使用寿命，降低损失。目前，世界主流的涂层技术主要有激光熔覆技术、热喷涂技术、等离子喷涂技术、爆炸喷涂技术等。而激光熔覆技术作为20世纪激光技术发展的代表作之一，其发展前景受到了世界先进国家的高度关注。
但是，传统的激光熔覆技术需要使得基体材料与涂层材料具有较为相似的热物性，而传统的金属粉末的性能特点各异无法针对制动盘的熔覆进行有效的有机结合。许多研究学者开始将熔覆粉末中掺杂外加陶瓷相来增强其各方面机械性能，但是陶瓷颗粒与金属粉末的物理性能差异太大，会造成涂层质量较低，产生开裂、脱落等现象，故而往往需要多种技术工艺互相辅助完成，而在企业生产中，多道工序的加工必然会降低生产效率、提高生产成本，所以这些方法往往不适于工业生产。
发明内容
本发明旨在研发并利用一种加工技术(选区激光熔覆技术—SLM)，在制动盘表面熔覆SiC陶瓷颗粒多层梯度复合涂层，利用每一层熔覆层的相容性，进行制动盘的耐磨层进行制备，用于解决传统的单一层熔覆技术中存在的陶瓷颗粒与金属粉末的物理性能差异太大造成的涂层质量较低，产生开裂、脱落等问题现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，包括铝合金制动盘以及设置在该铝合金制动盘双侧制动面的熔覆铝基-SiC梯度涂层，其特征在于，首先准备五种不同配比的铝基合金粉末，其中，
一号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
二号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒5％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
三号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒10％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
四号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒15％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
五号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒20％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
该熔覆铝基-SiC梯度涂层的成型过程如下：
第一步，对铝合金制动盘双侧制动面进行车削、打磨去除氧化膜，预热处理；
第二步，利用同轴送粉方式或者同步送粉方式在铝合金制动盘表层按逆时针方向进行一号粉末熔覆，该一号粉末的熔覆工艺参数为：激光功率1400w、送粉速度2L/min、光斑直径2mm、扫描速度600mm/min，以形成涂层厚度为500μm的一号合金粉熔覆层，待第一层熔覆结束冷却后，对一号粉熔覆层进行表面喷砂处理，喷砂处理后，清洗待用；
第三步，在一号粉熔覆层表面按顺时针方向进行表面熔覆二号粉末，该二号粉末熔覆工艺参数为：激光功率2000w、送粉速度3L/min、光斑直径2mm、扫描速度500mm/min，以形成涂层厚度为400μm的二号合金粉熔覆层，熔覆后，进行喷砂与清洗；
第四步，三号粉末、四号粉末与五号粉末熔覆时重复二号粉末的过程，熔覆工艺参数同二号粉末熔覆工艺参数，且相邻熔覆层熔覆路径方向相反，形成三号合金粉熔覆层、四号合金粉熔覆层和五号合金粉熔覆层。
进一步地，所述铝合金制动盘的双侧制动面同步进行熔覆制备。
进一步地，所述铝合金制动盘的双侧制动面采用单侧熔覆制备，然后再进行另一侧单侧熔覆制备的方式进行制备。
进一步地，第二步中，所述喷砂处理工艺参数为：喷砂颗粒为50μm、压强为0.4Mpa。
进一步地，每一层合金粉熔覆层中的粉末熔覆路径为自外向内的螺旋行进路线。
进一步地，一号至五号合金粉熔覆层具有相同的螺旋起始点。
进一步地，一号至五号合金粉熔覆层的起始点彼此等间隔存在。
本发明的有益效果是：本发明通过改进一种加工技术(选区激光熔覆技术—SLM)，在制动盘表面熔覆SiC陶瓷颗粒多层梯度复合涂层，利用每一层熔覆层的相容性，进行制动盘的耐磨层进行制备，使其每一层都达到不同的服役功能的目的，并利用每一层涂层材料的梯度性，将陶瓷颗粒包附在涂层中，使得涂层质量得到提高，另一方面，只利用一种技术设备，可降低企业生产的设备、人力物力等成本，提高生产效率。
附图说明
图1为熔覆层逆时针螺旋走向示意图。
图2为熔覆层顺时针螺旋走向示意图。
图3铝合金制动盘的局部断面熔覆层示意图。
图4为熔覆层金相图。
图5为五层熔覆层的起始点示意。
图6为五层熔覆层的起始点示意。
图7为五层熔覆层的起始点示意。
图8为五层熔覆层的起始点示意。
图中：1、铝合金制动盘基体，2、一号合金粉熔覆层，3、二号合金粉熔覆层，4、三号合金粉熔覆层，5、四号合金粉熔覆层，6、五号合金粉熔覆层。
具体实施方式
本实施例，基于该耐磨层的制备工艺进行详细说明，具体来说，涉及一种在铝合金制动盘表面利用激光熔覆技术，并通过对熔覆过程中的Al基合金粉末进行分批次组合、按梯度进行熔覆的技术。
关于梯度功能分布的Al基合金粉末描述：
一号粉末，其中，铝基合金粉末的成分配比如下：按质量份数：Si 1.9％、Mg1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，剩余成分为Al。以下称为一号粉末。
二号粉末，铝基合金粉末的成分配比如下：按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒5％，剩余成分为Al。
三号粉末，铝基合金粉末的成分配比如下：按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒10％，剩余成分为Al。
四号粉末，铝基合金粉末的成分配比如下：按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒15％，剩余成分为Al。
五号粉末，铝基合金粉末的成分配比如下：按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒20％，剩余成分为Al。
即，自二号粉末开始，Al基合金粉末分别添加5％、10％、15％以及20％的SiC陶瓷颗粒，以下分别称为二、三、四、五号粉末，SiC陶瓷颗粒在第一至第五号粉末中，自0％开始，即按照5％的梯度增加。
上述五种粉末中，Si元素的加入可以使得钛硅化合物的析出阻止晶粒长大，其直接作用体现在涂层抗拉强度与韧性的增加，同时Si在熔池中作为脱氧剂具有造渣功能，能够改善覆层对基体的湿润能力，降低熔覆层中的氧含量及杂质，提高工艺性能；Cr元素在熔池中生成金属间化合物是支撑熔覆层耐磨性能的主要因素；CeO2的加入能够改善熔覆层组织和性能。因为纯稀土元素极易与其他元素反应，生成稳定的化合物，在熔覆层凝固过程中可以作为结晶核心、增加形核率，并阻止晶粒长大，显著细化枝晶组织；同时稀土元素与硫、氧的亲和力极强，又有较强的吸附能力，既能强化晶界又能净化晶界，在内氧化层前沿氧化过程继续进行，可明显提高抗氧化能力和耐腐蚀能力。另外稀土元素能够有效改善熔覆层的显微组织，使硬质相颗粒形状得到改善并在熔覆层中均匀分布。最后Al元素作为熔池的主要元素成分，不仅为了能够与铝合金基体材料匹配，还可提高熔池流动性，抑制熔覆层气孔的产生。而外加陶瓷相与涂层金属的热物性参数差异很大，相容性较差，界面会因形成不良反应物和粘着物而使强度和韧性降低，容易成为裂纹源。在重载荷作用下，陶瓷颗粒可能发生剥离等现象，本实施例，通过优化熔覆工艺参数，降低增强相在激光辐射下的分解速度和调节增强相在熔覆层的分布情况，使增强相颗粒部分溶解，在涂层中均匀分布。
由于铝的熔点为660℃，而SiC的升华点为2100℃，且Al与SiC的结合强度较差，所以我们选择在铝合金表面熔覆SiC时，一方面，以梯度状态进行熔覆，首先对铝合金基体表面熔覆一号铝基合金粉末，而后待其冷却凝固后，按顺序熔覆二、三、四、五号粉末，同时每一层熔覆的方向相反，参考图1图2，其中图1为逆时针方向的螺旋走向，图2为顺时针方向的螺旋走向，两个螺旋走向的起点相同；另一方面，且当每一层熔覆开始前，对待熔覆材料进行喷砂处理，喷砂处理可以达到改善合金粗糙度，加强陶瓷润湿性，以提高陶瓷与合金的结合强度。
将以上粉末进行实验前混合、球磨、气雾化和干燥处理，待用。对待熔覆的铝合金制动盘双制动面分别车掉2mm并对表面打磨去除氧化膜，熔覆前对其进行预热处理。
可选地，在熔覆过程中，本实施过程中，可利用同轴送粉方式或者同步送粉方式进行熔覆。首先对铝合金基体表层进行一号粉末的熔覆。该一号粉末的熔覆工艺参数采用激光功率1400w、送粉速度2L/min、光斑直径2mm、扫描速度600mm/min以保证涂层厚度约为500μm，即在铝合金基体(制动盘)的表层形成厚度为500μm的涂层，该涂层可以标记为一号合金粉熔覆层。第一层熔覆结束冷却后，对一号粉熔覆层进行表面喷砂处理，其中，喷砂颗粒为50μm、压强为0.4Mpa。喷砂处理后，对其进行清洗。形成待用状态。
步骤二，在喷砂处理后的一号粉熔覆层表面进行表面熔覆二号粉末，二号粉末熔覆工艺参数采用激光功率2000w、送粉速度3L/min、光斑直径2mm、扫描速度500mm/min以保证涂层厚度约为400μm左右。值得注意的是，在对二号粉末熔覆时，熔覆方向与一号粉末熔覆的方向相反如图1。熔覆结束后，进行喷砂与清洗。
三号粉末、四号粉末与五号粉末熔覆时重复二号粉末的过程，熔覆工艺参数同二号粉末熔覆工艺参数，分别形成二号合金粉熔覆层、三号合金粉熔覆层、四号合金粉熔覆层和五号合金粉熔覆层，参考图3。
经过上述五次熔覆后，形成的总熔覆层约为2mm。熔覆效果示意图如图5至图8。
本实施例通过上述的工艺改进，使用不同配比的一号粉末至五号粉末进行多层梯度熔覆，从实施效果上看，可以有效的减轻上述金属基涂层中外加陶瓷相出现的熔覆层开裂，脱落等现象。究其原因，一、二层熔覆层的外加陶瓷相成分较少，且与制动盘主体材料相似，这样的话会极大程度的提高涂层结合力，使其达到冶金结合的效果，同时，Ti、Al元素生成的化合相具有较高的抗压、耐高温、导热、高韧性等特性，能够适应不同条件下的工况，而第三层的陶瓷颗粒作为过渡层，具有起到承上启下的作用；四、五层是具有较高的陶瓷颗粒相，是支撑制动盘表面耐磨性、制动性的主要力量。最后，Al基合金的低密度是是制动盘发展朝向轻量化的主要因素。
关于本制动盘耐磨性能的检测，具体地说，采用三点弯曲法与划痕仪来检测各涂层结合强度，检测结果表明，涂层结合的最大强度为48.11Mpa。
同时利用摩擦磨损试验机检测铝合金制动盘基体材料与涂层材料耐磨性，结果表明涂层材料60min的磨损量为0.048mm3，而铝合金制动盘基体60min的磨损量为0.289mm3，涂层材料的耐磨性约为铝合金制动盘的6倍，即，通过本涂层的实施，显著的提高了铝合金制动盘的整体耐磨性能。
结合微观分析，本实施例中的涂层与铝合金制动盘基体呈现良好的冶金结合效果，结合区如图4所示，图4中，白亮带现象明显(根据冶金凝固理论，白亮带是形成冶金结合的主要标志)。
进一步地，关于上述的五层熔覆层的布局方式。如上所述，相邻的两层熔覆层上的螺旋走向朝向相反，本实施例至少介绍如下布置方式：
参考图5，a、b、c、d、e彼此交叉设置，具有相同的起始点。
参考图6，a、b一组，具有相同的起始点，螺旋方向相反，c、d一组，具有相同的起始点，螺旋方向相反，e单独一组。a、b一组和c、d一组间隔180度夹角。e单独一组，随机分布。
参考图7，a、b一组，具有相同的起始点，螺旋方向相反，c、d一组，具有相同的起始点，螺旋方向相反，e单独一组。三组之间比较夹角为120度。
参考图8，五个熔覆层的起始点彼此间隔72度存在，即，沿着圆周方向均匀的分布。
以图8为例，多层螺旋熔覆线之间形成彼此交叉的存在，更进一步地提高了彼此之间的结合强度，有利于制动时的力学性能，对于防止熔覆涂层的开裂、脱落具有积极的意义。
以上几种熔覆层的起始点布局方式，皆在本发明的保护范围之内。
上述的螺旋的熔覆路径，与制动盘制动时的刹车片制动的摩擦力方向基本相同或者重叠，可以更好的发挥其力学性能，更好的解决熔覆涂层产生开裂、脱落的技术难题。
以上描述中，分别用a、b、c、d、e表示一号合金粉熔覆层、二号合金粉熔覆层、三号合金粉熔覆层、四号合金粉熔覆层、五号合金粉熔覆层的起始点。
关于制动盘的双侧制动面的熔覆铝基-SiC梯度涂层的制备顺序描述，本实施例中，两侧制动面上的熔覆铝基-SiC梯度涂层可以同步进行制备，即，使用两套激光熔覆头对同一制动盘的双侧同步的进行熔覆制备，形成双侧涂层的制备。
也可以采用分步制备的顺序，即，利用一套激光熔覆头对一侧的制动面进行熔覆铝基-SiC梯度涂层制备，然后翻转180度，再进行另一侧的制动面上的熔覆铝基-SiC梯度涂层制备，最终完成铝合金制动盘双侧涂层制备。
以上两种顺序的制备涂层工艺，均在本发明的保护范围之列。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，包括铝合金制动盘以及设置在该铝合金制动盘双侧制动面的熔覆铝基-SiC梯度涂层，其特征在于，首先准备五种不同配比的铝基合金粉末，其中，
一号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
二号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒5％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
三号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒10％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
四号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒15％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
五号粉末，按质量份数：Si 1.9％、Mg 1.2％、Mn 1.5％，Ti4.8％、Cr3.2％、CeO21.3％，SiC陶瓷颗粒20％，剩余成分为Al，并进行混合、球磨、气雾化和干燥处理；
该熔覆铝基-SiC梯度涂层的成型过程如下：
第一步，对铝合金制动盘双侧制动面进行车削、打磨去除氧化膜，预热处理；
第二步，利用同轴送粉方式或者同步送粉方式在铝合金制动盘表层按逆时针方向进行一号粉末熔覆，该一号粉末的熔覆工艺参数为：激光功率1400w、送粉速度2L/min、光斑直径2mm、扫描速度600mm/min，以形成涂层厚度为500μm的一号合金粉熔覆层，待第一层熔覆结束冷却后，对一号粉熔覆层进行表面喷砂处理，喷砂处理后，清洗待用；
第三步，在一号粉熔覆层表面按顺时针方向进行表面熔覆二号粉末，该二号粉末熔覆工艺参数为：激光功率2000w、送粉速度3L/min、光斑直径2mm、扫描速度500mm/min，以形成涂层厚度为400μm的二号合金粉熔覆层，熔覆后，进行喷砂与清洗；
第四步，三号粉末、四号粉末与五号粉末熔覆时重复二号粉末的过程，熔覆工艺参数同二号粉末熔覆工艺参数，且相邻熔覆层熔覆路径方向相反，形成三号合金粉熔覆层、四号合金粉熔覆层和五号合金粉熔覆层。
2.根据权利要求1所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述铝合金制动盘的双侧制动面同步进行熔覆制备。
3.根据权利要求1所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述铝合金制动盘的双侧制动面采用单侧熔覆制备，然后再进行另一侧单侧熔覆制备的方式进行制备。
4.根据权利要求1所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，第二步中，所述喷砂处理工艺参数为：喷砂颗粒为50μm、压强为0.4Mpa。
5.根据权利要求1所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，每一层合金粉熔覆层中的粉末熔覆路径为自外向内的螺旋行进路线。
6.根据权利要求5所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，一号至五号合金粉熔覆层具有相同的螺旋起始点。
7.根据权利要求5所述的铝合金制动盘表面熔覆功能梯度涂层的制备方法，其特征在于，一号至五号合金粉熔覆层的起始点彼此等间隔存在。
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