CN114369786A - 一种铝-钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝‑钢复合材料及其制备方法，属于双金属液固复合铸造技术领域。本发明的铝‑钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：在钢基材表面涂覆高熵合金涂层，然后在高熵合金涂层上复合铝层。本发明的铝‑钢复合材料的制备方法具有易于控制、成本较低，便于工业量产的优点。高熵合金具有缓慢扩散的特性，铝中各元素和钢中各元素在高熵合金中的扩散速率明显低于其在其他合金及纯金属中的扩散速率，高熵合金的高温抗氧化性也比钢好得多。在钢基材表面涂覆高熵合金层，可以抵制钢基材表面过早氧化，改善界面润湿性，抑制铝/钢金属间脆性化合物的生长而使界面化合物层变薄，促进铝/钢双金属界面的冶金结合，提高界面结合强度。

Description

一种铝-钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝-钢复合材料及其制备方法，属于双金属液固复合铸造技术领域。
背景技术
在汽车工业领域，汽车自重大，不但影响汽车效率的提升，还降低了汽车的燃油效率。汽车轻量化是解决能源过渡损耗的主要方式之一。而汽车发动机的轻量化是提升汽车整体性能的关键，对降低损耗有重要意义。铝/钢双金属复合材料的目的是将钢的高温强度、耐磨性能等力学性能与铝的低密度、高导热、耐腐蚀等性能结合起来，从而实现轻量化的目标。目前双金属复合的方法主要有固固复合、液液复合以及液固复合。固固复合属于机械结合，在结合性能上达不到冶金结合的性能。液液复合工艺难度较大。而液固复合最重要的结合方式为冶金结合，相比较于机械结合有更好的结合性能。
现有的铝-钢双金属液固复合工艺在复合前，往往将钢基表面电镀镍或铜，或将钢基体放入铝熔体中进行热浸镀。钢基表面电镀镍或铜，镀镍或镀铜层与缸体结合较差，液固复合后，界面处存在一定的缝隙，无法实现界面完全的冶金结合，导致界面剪切强度较低。钢基表面进行热浸镀虽然能够有效实现冶金结合，但是热浸时容易产生漏镀现象，使过渡层厚度不均匀，造成铝-钢复合材料的界面结合强度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝-钢复合材料的制备方法，用于解决目前制备的铝-钢复合材料存在的界面结合强度较低的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种铝-钢复合材料。
为了实现上述目的，本发明的铝-钢复合材料的制备方法所采用的技术方案为：
一种铝-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：在钢基材表面涂覆高熵合金涂层，然后采用液固复合工艺在高熵合金涂层上复合铝层。
本发明的铝-钢复合材料的制备方法具有易于控制的优点。高熵合金具有缓慢扩散的特性，铝中各元素和钢中各元素在高熵合金中的扩散速率明显低于其在其他合金及纯金属中的扩散速率，高熵合金的高温抗氧化性也比钢好得多。在钢基材表面涂覆高熵合金层，可以抵制钢基材表面过早氧化，改善界面润湿性，抑制铝/钢金属间脆性化合物的生长而使界面化合物层变薄，促进铝/钢双金属界面的冶金结合，提高界面结合强度。
高熵合金为由五或五种以上主元素以等摩尔比或接近等摩尔混合而成的固溶体合金，每种原子的原子分数在5％和35％之间。优选地，所述高熵合金涂层为FeCoCrNi系高熵合金涂层。FeCoCrNi系高熵合金涂层具有面心立方晶格(fcc)的晶体结构，Fe为主元素之一，具有与钢复合无新的化合物相形成的优点。
优选地，所述FeCoCrNi系高熵合金涂层为FeCoCrNiAl、FeCoCrNiMn、FeCoCrNiCu或FeCoCrNiTi高熵合金涂层。
进一步优选地，所述FeCoCrNi系高熵合金涂层为FeCoCrNiAl系高熵合金涂层。FeCoCrNiAl系高熵合金涂层中，Al和Fe均为主元素之一，对于铝和钢都有很好的润湿性，可以提高铝和钢之间的界面结合强度。
优选地，所述高熵合金涂层的厚度为30～60μm。将高熵合金涂层的厚度控制在30～60μm，可有效改善润湿性和抑制界面元素扩散，从而可形成较厚的化合物层。高熵合金涂层的厚度过小，高熵合金层易快速溶解扩散进铝合金熔体中，抑制元素扩散作用减弱；高熵合金涂层的厚度过大，界面化合物层也易较厚，不利于提高界面强度。
制备高熵合金涂层的方法主要有热喷涂法、激光熔覆法、磁控溅射法，所述高熵合金涂层优选采用热喷涂形成。热喷涂具有易于控制、成本较低，便于工业量产和对基体影响较小等优点，适用于大规模生产。优选地，所述高熵合金涂层是将高熵合金粉末采用热喷涂喷涂在钢基材表面形成；所述高熵合金粉末的平均粒度为15～35μm。
热喷涂主要有等离子喷涂(APS)、超音速火焰喷涂(HVOF)、高速电弧喷涂(HVAS)、冷喷涂(CS)等方法，所述热喷涂优选为超音速火焰喷涂。超音速火焰喷涂制备的高熵合金涂层致密且结合强度高，含氧化物极低，同时具有良好的力学性能、在高温下能保持较优异且稳定的耐蚀性和耐磨性。
超音速火焰喷涂是利用燃料与高压氧气在燃烧中产生高温高压焰流，熔化粉末材料并喷射至基体形成涂层的一种方法。优选地，所述高熵合金涂层是将高熵合金粉末采用超音速火焰喷涂喷涂在钢基材表面形成；所述高熵合金粉末的平均粒度为15～35μm。采用平均粒度为15～35μm的高熵合金粉末，可以使制备的高熵合金涂层均匀，无明显孔隙。
优选地，在钢基材表面涂覆高熵合金涂层前，对钢基材用于涂覆高熵合金涂层的表面进行预处理，所述预处理为喷砂处理。喷砂处理可以清洁钢基材的表面，并使钢基材表面粗化，进而提高钢基材与高熵合金涂层间的附着力。
优选地，复合铝层前，在高熵合金涂层表面涂覆界面活性剂。界面活性剂可以防止在高温条件下复合铝层时钢基体表面发生氧化，从而具有改善界面扩散的效果。
优选地，所述界面活性剂选自KCl、NaCl、KF、NaF、K2ZrF中的一种或任意组合。以KCl、NaCl、KF、NaF、K2ZrF中的一种或任意组合作为界面活性剂，具有涂覆均匀，可显著提高钢基抗氧化性能的作用。
优选地，在高熵合金涂层表面涂覆界面活性剂的方法包括以下步骤：将涂覆有高熵合金涂层的钢基材在界面活性剂溶液中浸泡，取出后进行干燥。将涂覆有高熵合金涂层的钢基材在界面活性剂溶液中浸泡，可以使界面活性剂溶液覆盖在高熵合金涂层的表面，然后除去覆盖在高熵合金涂层表面的界面活性剂溶液中的溶剂，可以使界面活性剂均匀依附在高熵合金涂层的表面。
优选地，所述界面活性剂溶液为K2ZrF的水溶液，所述K2ZrF的水溶液在75～85℃时为饱和溶液。优选地，浸泡时，所述界面活性剂溶液的温度为75～85℃，浸泡的时间为5～15min。将界面活性剂溶液的温度控制在75～85℃，可以使界面活性剂溶液的活性更高，更好地均匀铺展在高熵合金涂层表面，从而提高涂覆效果。
优选地，在高熵合金涂层上复合铝层的方法包括以下步骤：将涂覆有高熵合金涂层的钢基材预热至300～400℃，然后浇铸铝熔体或铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却。将涂覆有高熵合金涂层的钢基材在300～400℃的环境中预热10～20min可以使钢基材的温度达到300～400℃，然后浇铸铝熔体或铝合金熔体，可以使铝层更好地复合在高熵合金涂层上。铝基熔体与高熵合金的润湿性较铝基熔体与钢的润湿性好，在钢基材表面涂覆高熵合金涂层后，通过浇铸铝基熔体的方法复合铝层可以提高钢和铝之间的界面结合强度。
为了得到具有一定形状的铝-钢双金属复合材料，进一步优选地，在高熵合金涂层上复合铝层的方法包括以下步骤：将涂覆有高熵合金涂层的钢基材预热至300～400℃，再将预热后的钢基材放入模具中，然后浇铸铝熔体或铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却。
现有的铝-钢双金属复合材料所用的钢基材均适用于本发明。优选地，所述钢基材的材质为45钢。
本发明的铝-钢复合材料所采用的技术方案为：
一种由上述铝-钢复合材料的制备方法制备的铝-钢复合材料。
本发明的铝-钢复合材料中含有高熵合金过渡层，可以改善铝-钢的界面润湿性，抑制铝/钢金属间脆性化合物的生长而使界面化合物层变薄，促进铝/钢双金属界面的冶金结合，提高界面结合强度。
附图说明
图1为实施例1制备的铝-钢复合材料的SEM图；
图2为实验例中铝-钢复合材料界面结合强度的测试示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例中所用的钢基材为钢板，材质为45钢，尺寸为100mm×100mm×5mm；所用的铝合金为ZL101铝合金。
一、本发明的铝-钢复合材料的制备方法的具体实施例如下：
实施例1
本实施例的铝-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢基材表面进行喷砂处理，然后清洁钢基材表面，并使钢基表面粗化，以提高钢基材与高熵合金涂层间的附着力。
(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将平均粒度尺寸为35μm的等原子比的FeCoCrNiAl系高熵合金粉末喷涂到钢基材表面，在钢基材表面形成厚度为60μm的高熵合金涂层。
(3)将喷涂有高熵合金涂层的钢基材放置在温度为75℃的饱和K2ZrF水溶液中浸泡15min，然后取出吹干，使K2ZrF界面活性剂均匀依附在高熵合金涂层上。
(4)将依附有K2ZrF界面活性剂的钢基材在400℃的条件下预热20min，然后置于浇铸模具中，再立即浇铸熔炼好的铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却后从模具中取出，得到铝-钢复合材料，本实施例制备的铝-钢复合材料的SEM图1所示。
实施例2
本实施例的铝-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢基材表面进行喷砂处理，然后清洁钢基材表面，并使钢基表面粗化，以提高钢基材与高熵合金涂层间的附着力。
(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将平均粒度尺寸为25μm的等原子比的FeCoCrNiAl系高熵合金粉末喷涂到钢基材表面，在钢基材表面形成厚度为45μm的高熵合金涂层。
(3)将喷涂有高熵合金涂层的钢基材放置在温度为80℃的饱和K2ZrF溶液中浸泡10min，然后取出吹干，使K2ZrF界面活性剂均匀依附在高熵合金涂层上。
(4)将依附有K2ZrF界面活性剂的钢基材在350℃的条件下预热15min，然后置于浇铸模具中，再立即浇铸熔炼好的铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却后从模具中取出，得到铝-钢复合材料。
实施例3
本实施例的铝-钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钢基材表面进行喷砂处理，然后清洁钢基材表面，并使钢基表面粗化，以提高钢基材与高熵合金涂层间的附着力。
(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将平均粒度尺寸为15μm的等原子比的FeCoCrNiAl系高熵合金粉末喷涂到钢基材表面，在钢基材表面形成厚度为30μm的高熵合金涂层。
(3)将喷涂有高熵合金涂层的钢基材放置在温度为85℃的饱和K2ZrF溶液中浸泡5min，然后取出吹干，使K2ZrF界面活性剂均匀依附在高熵合金涂层上。
(4)将依附有K2ZrF界面活性剂的钢基材在300℃的条件下预热10min，然后置于浇铸模具中，再立即浇铸熔炼好的铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却后从模具中取出，得到铝-钢复合材料。
对比例
本对比例的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用硫酸镍电镀法，在钢基材表面形成厚度为20μm的镀镍层。
(2)将镀有镍层的钢基材放置在温度为75℃的饱和K2ZrF溶液中浸泡15min，然后取出吹干，使K2ZrF界面活性剂均匀依附在高熵合金涂层上。
(3)将依附有K2ZrF界面活性剂的钢基材在400℃的条件下预热20min，然后置于浇铸模具中，再立即浇铸熔炼好的铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却后从模具中取出，得到铝-钢复合材料。
二、本发明的铝-钢复合材料的具体实施例如下：
本实施例的铝-钢复合材料由实施例1至实施例3中任一项铝-钢复合材料的制备方法制备得到。
实验例
采用万能试验机(WDW-300微机控制电子万能材料试验机)测定实施例1至实施例3和对比例制备的铝-钢复合材料的界面结合强度。测试方法如下：将铝-钢复合材料固定在试验机上，如图2所示，缓慢调整使压头与铝-钢复合材料接触，然后以1mm/min的加载速度从上向下不断加载，使铝-钢复合材料沿铝-钢结合界面发生断裂，通过分析力与位移曲线，得到断裂过程中铝-钢复合材料承受的最大载荷，最后计算得到铝-钢复合材料的界面结合强度，界面结合强度为铝-钢复合材料承受的最大载荷与铝-钢结合界面的面积之比。为保证测试结果的准确性，每组实施例和对比例选取3个试样进行界面结合强度测试，取其平均值作为铝-钢复合材料的界面结合强度。
实施例1至实施例3和对比例制备的铝-钢复合材料的界面结合强度的测试结果如表1所示。
铝-钢复合材料 界面结合强度(MPa)
实施例1 20.5
实施例2 21.3
实施例3 19.6
对比例 14.6
由表1可知，实施例1-3制备的铝-钢-复合材料的界面结合强度均高于对比例制备的铝-钢复合材料的界面结合强度，并且实施例1制备的铝-钢-复合材料的界面结合强度比对比例制备的铝-钢复合材料的界面结合强度提高了35％左右。

Claims (10)

1.一种铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在钢基材表面涂覆高熵合金涂层，然后采用液固复合工艺在高熵合金涂层上复合铝层。
2.如权利要求1所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金涂层为FeCoCrNi系高熵合金涂层。
3.如权利要求2所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述FeCoCrNi系高熵合金涂层为FeCoCrNiAl、FeCoCrNiMn、FeCoCrNiCu或FeCoCrNiTi高熵合金涂层。
4.如权利要求1-3任一项所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金涂层的厚度为30～60μm。
5.如权利要求1-3任一项所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金涂层采用热喷涂形成。
6.如权利要求5所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述高熵合金涂层是将高熵合金粉末采用热喷涂喷涂在钢基材表面形成；所述高熵合金粉末的平均粒度为15～35μm。
7.如权利要求1-3任一项所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，复合铝层前，在高熵合金涂层表面涂覆界面活性剂；所述界面活性剂选自KCl、NaCl、KF、NaF、K2ZrF中的一种或任意组合。
8.如权利要求7所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，在高熵合金涂层表面涂覆界面活性剂的方法包括以下步骤：将涂覆有高熵合金涂层的钢基材在界面活性剂溶液中浸泡，取出后进行干燥；所述界面活性剂溶液为K2ZrF的水溶液，所述K2ZrF的水溶液在75～85℃时为饱和溶液；浸泡时，所述界面活性剂溶液的温度为75～85℃，浸泡的时间为5～15min。
9.如权利要求1-3任一项所述的铝-钢复合材料的制备方法，其特征在于，在高熵合金涂层上复合铝层的方法包括以下步骤：将涂覆有高熵合金涂层的钢基材预热至300～400℃，然后浇铸铝熔体或铝合金熔体到高熵合金涂层上，冷却。
10.一种由权利要求1-9任一项所述的铝-钢复合材料的制备方法制备的铝-钢复合材料。
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CN115612895A (zh) * 2022-10-26 2023-01-17 苏州虎伏新材料科技有限公司 一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用
CN115612895B (zh) * 2022-10-26 2023-10-03 苏州虎伏新材料科技有限公司 一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用

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