CN114525507A - 一种在az91hp镁合金表面制备铝合金涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法。旨在解决镁合金硬度低、耐磨性差、耐蚀性差的缺点。铝合金涂层为主要由Al、Si、Y2O3组成。各组分质量百分数(wt.％)是：Al：83.6wt.％、Si：11.4wt.％、Y2O3：5wt.％。AZ91HP镁合金各元素质量百分数(wt.％)为：Al：8.8900wt.％、Zn：0.5620wt.％、Mn：0.2041wt.％、Si：0.0443wt.％、Fe：0.0030wt.％、Cu：0.0034wt.％、Ni：0.0090wt.％、Be：0.0012wt.％、Mg：90.2830wt.％。具体步骤包括：混合制备涂层粉末；将基材表面利用800目砂纸粗磨去掉氧化层，并用无水乙醇清洗干净；将粉末预置在基材表面并干燥24h；设置激光器各项参数；准备激光熔覆惰性保护气体；通过激光熔覆技术制备基材表面熔覆层；利用维氏硬度计、摩擦磨损试验仪、电化学工作站等设备检测熔覆层的硬度、耐磨性、耐蚀性提升幅度。

Description

一种在AZ91HP镁合金表面制备铝合金涂层的方法
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，尤其涉及一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法。
背景技术
镁合金具有密度小、散热好、比强度高、比刚度高、弹性模量大的特点，具有良好的减震性能和切削性能，是21世纪的绿色工程材料。广泛应用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。但是镁化学性质活泼，在空气中极易氧化，且镁合金的硬度、耐磨性、耐腐蚀性较差，这些缺点制约了镁合金更为广泛的应用前景。对于这一现状目前的解决方案是提升镁合金表面性能，而在诸多表面改性技术中，激光熔覆技术由于其能量具有可控性，且加热速度快、冷却速度快等优点而被广泛使用。激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝达到强化基材表面性能的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法，有效的提高镁合金表面性能。
本发明提供了一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法，包括：
混合制备涂层粉末；
将基材的表面利用800目砂纸粗磨去掉氧化层，并用无水乙醇清洗干净；
将粉末预置在基材表面并干燥24h；
设置激光器各项参数；
准备激光熔覆惰性保护气体；
通过激光熔覆技术制备基材表面熔覆层；
利用维氏硬度计、摩擦磨损试验仪、电化学工作站等设备检测熔覆层的硬度、耐磨性、耐蚀性提升幅度。
优选的，所述AZ91HP镁合金各元素质量百分数(wt.％)为：Al：8.8900wt.％、Zn：0.5620wt.％、Mn：0.2041wt.％、Si：0.0443wt.％、Fe：0.0030wt.％、Cu：0.0034wt.％、Ni：0.0090wt.％、Be：0.0012wt.％、Mg：90.2830wt.％。
优选的，所述基材为AZ91HP镁合金。
优选的，所述涂层材料质量百分数(wt.％)为：Al：83.6wt.％、Si：11.4wt.％、Y2O3：5wt.％。
优选的，所述粉末粒度均为200目。
优选的，所述激光器参数为：激光功率：1600W、激光扫描速度：500mm/min、搭接率：30％、光斑直径：3mm；激光器型号为DL-2000无氦横流CO2激光器。
优选的，所述惰性保护气体为：Ar气。
本发明所选涂层材料为Al-Si共晶粉末，其中二者质量分数之比为88：12，Al-Si共晶粉末具有良好的铸造性能，熔点为650℃，热膨胀系数24×10-6/℃，AZ91HP镁合金熔点为560℃，热膨胀系数为25×10-6/℃，二者具有良好的物化相容性，在高能激光束的作用下能形成良好的冶金结合。同时在涂层中添加质量分数为5％的Y2O3粉末。稀土氧化物的加入能够提升熔覆层熔覆质量，细化组织晶粒，降低稀释率，提高表面性能。
本发明所选涂层材料为复合涂层类型，该类型的特点是能够将涂层材料的性能与基材相结合。
本发明所选激光器为圆形光斑激光器，其特点是能量密度大且集中，加热速度快，冷却速度快，能够给涂层凝固提供足够的过冷度。而较大的过冷度也能够使熔覆层组织细化，提升表面性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为磨损体积计算原理图。
图2为熔覆层截面形貌图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的具体方案进行详细、清楚的描述。接下来所描述的实施例仅为本发明的部分实施例，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经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明提供一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法，包括：
混合制备涂层粉末，选择粉末均为200目均匀大小，将Al-Si共晶粉末与Y2O3粉末放入球磨机中充分搅拌混合，球磨机转速为120r/min，混合时间为3h，混粉期间应定期检查球磨机内粉末状态，避免出现粉末粘结现象；
在本发明中，AZ91HP镁合金极易在空气中发生氧化，因此应将基材的表面优选800目砂纸粗磨去掉氧化层，并优选无水乙醇清洗干净，烘干方式优选自然烘干；
在本发明中，将粉末预置在基材表面，优选厚度约为1mm，并将铺好粉末的试样放入烘干机中优选70℃干燥24h，更优选90℃干燥18h。
在本发明中，优选激光器型号为DL-2000无氦横流CO2激光器。优选激光功率为1300W-1600W，更优选为1400W-1600W，最优选为1500W-1600W。优选激光扫描速度：300mm/min-600mm/min，更优选为400mm/min-600mm/min，最优选为450mm/min-500mm/min。
在本发明中，优选搭接率为30％，优选光斑直径为3mm。
在本发明中，需要准备激光熔覆惰性保护气体，优选惰性保护气体为Ar气
在本发明中，应检查Ar是否充足，控制Ar气流速优选为5L/min，并在实验开始前从实验容器底部充气60s后再开始实验；
在本发明中，需利用激光器附带数控机床进行编程，优选根据试样尺寸以及搭接率设置X、Y方向进给距离，设置完成后开始激光熔覆实验；
在本发明中，得到的熔覆层需进行线切割，优选线切割尺寸为10mm*10mm*10mm、12mm*18mm*10mm、10mm*16mm*5mm。
在本发明中，线切割后的试样需要进行金相磨抛，所采用的设备为MP-2B三速金相试样磨抛机，优选转速为700r/min。抛光剂采用艾普牌金刚石抛光剂，粒度为0.5W。
在本发明中，采用DMH-2LS型维氏硬度计进行硬度测量，测量间距为0.05mm，测量应力为10gf。测量方法为在固定位置上中下各取一点测其硬度值，取三点硬度算术平均数记为该点硬度值。
在本发明中，采用MGW-02高速往复摩擦磨损实验仪来检测试样的耐磨性能，磨损方式采用GCr15钢为材料制作的对磨球，半径为6.35mm，往复距离为3mm，试验力3N，频率为10Hz，试验时间为20min。试验结束后测量磨痕宽度计算磨损体积。
在本发明中，如图1所示，计算磨损体积的具体步骤如下：
步骤一：首先求圆心角θ
Figure BDA0003514458060000041
步骤二：再求等腰三角形OAB面积St
Figure BDA0003514458060000042
步骤三：然后求扇形OAB面积Ss
Figure BDA0003514458060000043
步骤四：由此可得磨痕剖面面积S
S＝Ss-St
步骤五：磨损体积V是磨痕剖面面积S和磨痕长度L的乘积
V＝S×L
在本发明中，采用CHI660E电化学工作站来检测试样的耐腐蚀性能，通过测量得到对应试样的极化曲线，计算各试样自腐蚀电流密度和自腐蚀电位，进而对比得到各试样的耐腐蚀性能。测量方法为三电极法，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂片电极，工作电极为试样。
本发明提供了一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法；所述铝合金涂层的成分范围与上述技术方案所述混合粉体的成分范围一致，厚度范围与上述技术方案所述铺粉厚度范围一致，在此不再赘述。
本发明在优选激光工艺参数下得到熔覆层，熔覆层性能明显提升。熔覆层的平均硬度为239.9HV，基体的平均硬度为89.7，硬度提升了1.7倍。熔覆层的磨损体积约为1.245mm3，基体的磨损体积约为2.122，相较于基体，熔覆层的耐磨性提升了近70％。电化学工作站结果显示，熔覆层的自腐蚀电位远高于基体，而自腐蚀电流密度仅为基体的1/400，耐腐蚀性得到显著提升。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种在AZ91HP镁合金表面制备一层铝合金+稀土氧化物涂层的制备方法，包括：混合制备涂层粉末；将基材的表面利用800目砂纸粗磨去掉氧化层，并用无水乙醇清洗干净；将粉末预置在基材表面并干燥24h；设置激光器各项参数；准备激光熔覆惰性保护气体；通过激光熔覆技术制备基材表面熔覆层；利用维氏硬度、摩擦磨损试验仪、电化学工作站等设备检测熔覆层的硬度、耐磨性、耐蚀性提升幅度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述基材为AZ91HP镁合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述涂层材料质量百分数为：Al：83.6wt.％、Si：11.4wt.％、Y2O3：5wt.％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述粉末粒度均为200目。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光器参数为：激光功率：1600W、激光扫描速度：500mm/min、搭接率：30％、光斑直径：3mm；激光器型号为DL-2000无氦横流CO2激光器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述惰性保护气体为：Ar气。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述维氏硬度计型号为：DMH-2LS、摩擦磨损试验仪型号为：MGW-02、电化学工作站型号为：CHI660E。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述熔覆层的平均硬度为239.9HV，基体的平均硬度为89.7，硬度提升了1.7倍。熔覆层的磨损体积约为1.245mm3，基体的磨损体积约为2.122，相较于基体，熔覆层的耐磨性提升了近70％。电化学工作站结果显示，熔覆层的自腐蚀电位远高于基体，而自腐蚀电流密度仅为基体的1/400，耐腐蚀性得到显著提升。
9.一种权利要求1所述的方法在AZ91HP镁合金上制备得到的Al-Si+Y2O3复合涂层。
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