CN115354320A - 一种强化铝合金表面耐磨性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，属于铝合金材料加工技术领域。在本发明中，采用飞秒激光技术在铝合金板料上产生沟槽形貌刻蚀，然后在沟槽的形貌上熔覆具有较好结合性能的铝基复合强化涂层，由于涂层熔覆在沟槽形貌的工件表面，所以涂层与工件表面能够产生紧密的结合，再对涂层表面开展小压下量的轧制变形，由于涂层与基体结合紧密且具有相同的基体成分，所以变形后的涂层并不会脱落且可达到对铸态涂层组织的形变强化，最后对耐磨涂层表面开展激光冲击达到对涂层表面的平整处理和强化，处理后的耐磨涂层不易产生裂纹源。因此，本技术发明能够实现对铝合金表面的有效强化，制备的涂层与基体之间能够形成紧密的结合而不脱落，涂层组织致密并能够显著提升铝合金表面的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料加工技术领域，涉及一种强化铝合金表面耐磨性能的方法
背景技术
铝合金作为重要的轻量化材料之一，具有密度小、比强度高、塑性和延展性好、无磁性、导电导热性良好、低温性能好等众多优点，在汽车、航空、航天领域具有广泛的应用。然而，铝合金运动副常由于硬度较低、表面自然形成氧化膜过薄且不均匀等因素，导致零件表面磨损失效，极大地限制了整机的服役寿命和可靠性，同时限制了铝合金基体在部分中高载荷、中高温及腐蚀磨损等工况下的应用。因此，近年来，如何进一步提升铝合金的表面性能逐渐成为一个重要的研究方向。
采用粉末冶金、离心铸造等各种加工技术或选用力学性能更优的铝合金基材，均可在不影响零件构型设计的前提下，提升其摩擦学性能。然而，改变基材成本较高，并且新型材料研发相对时间较长，不利于汽车零部件轻量化工艺研究的快速发展。通过对运动部件的工作状态及失效形式的分析可知，磨损等损伤失效主要发生在零件表面。因而采用先进的表面工程技术(如表面改性、表面涂覆等)，对铝合金表面进行性能强化，可在不改变原有基材几何与材料学等特性的前提下，极大提升零件的综合服役性能，充分提高其抵抗工作环境作用的能力。采用激光熔覆技术在铝合金表面制备强化涂层是强化铝合金耐磨性能最有效的方式之一，但现有技术制备的涂层易发生脱落，且涂层组织为铸态组织，易存在气孔和疏松等缺陷，制约了铝合金耐磨性能的大幅度提高。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种强化铝合金表面耐磨性能的方法。在本发明中，采用飞秒激光技术在铝合金板料上产生沟槽形貌刻蚀，然后在沟槽的形貌上熔覆具有较好结合性能的铝基复合强化涂层，由于涂层熔覆在沟槽形貌的工件表面，所以涂层与工件表面能够产生紧密的结合，再对涂层表面开展小压下量的轧制变形，由于涂层与基体结合紧密且具有相同的基体成分，所以变形后的涂层并不会脱落且可达到对铸态涂层组织的形变强化，最后对耐磨涂层表面开展激光冲击达到对涂层表面的平整处理和强化，处理后的耐磨涂层不易产生裂纹源。因此，本技术发明能够实现对铝合金表面的有效强化，制备的涂层与基体之间能够形成紧密的结合而不脱落，涂层组织致密并能够显著提升铝合金表面的耐磨性能。
本发明提供了一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，具体包括如下步骤：
(1)将铝合金板料固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌；
(2)将真空雾化的颗粒强化相与铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末；
(3)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(2)制备的粉末熔覆在步骤(1)制备的铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层；
(4)将步骤(3)得到的涂层板料放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制、入炉保温及冷却，然后去除氧化层；
(5)将步骤(4)获得的板料置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击，获得成品。
进一步地，步骤(1)中，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm。
进一步地，步骤(2)中，颗粒强化相与铝合金粉末的质量比为1:2～10；
进一步地，步骤(3)中，所述的超声频率为20kHZ。激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为800～1500W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率40～60％，送粉速度6～14g/min。
进一步地，步骤(4)中，所述的热轧温度为400～480℃，轧制压下量为10～20％。
进一步地，步骤(4)中，所述轧后热处理条件为：热轧后以20～30℃/s速度加热至400～480℃保温，保温25～35min后水冷至室温。
进一步地，步骤(5)中，所述的激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度：30ns～50ns；激光能量：20J～80J；激光波长：1064mm；光斑直径：2mm～6mm；搭接率：40～50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明制备得到一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，所述铝基复合涂层的室温摩擦磨损系数为0.45～056，质量磨损率为3.1×10-5～3.7×10-5g/m，耐磨性能得到了显著提升，能大幅度提高铝合金工件的服役寿命。
现有技术制备的强化涂层易发生脱落，且涂层组织主要为铸态组织并存在气孔和疏松等缺陷，制约了铝合金耐磨性能的大幅度提高。针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种强化铝合金表面耐磨性能的方法。在本发明中，采用飞秒激光技术在铝合金板料上产生沟槽形貌刻蚀，然后在沟槽的形貌上熔覆强化涂层，由于涂层熔覆在沟槽形貌的工件表面，涂层与工件表面能够产生紧密的结合，再对涂层表面开展小压下量的轧制变形，由于涂层与基体结合紧密且具有相同的基体成分，所以变形后的涂层并不会脱落且可达到对铸态涂层组织的形变强化，最后对耐磨涂层表面开展激光冲击达到对涂层表面的平整处理和强化，处理后的耐磨涂层不易产生裂纹源。因此，本技术发明能够实现对铝合金表面的有效强化，制备的涂层与基体之间能够形成紧密的结合而不脱落，涂层组织致密并能够显著提升铝合金表面的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的钛镍颗粒强化6系铝基复合涂层微观组织形貌图
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例涉及的铝基复合粉末涂层为钛镍颗粒强化6系铝基复涂层。钛镍合金、6系铝合金为本领域广泛应用的公知材料。
实施例1：
(1)将铝合金板料固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌；中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为30kHz，扫描速度为200mm/s，扫描线间距为20μm，步进为3μm，飞秒激光的光斑直径为40μm。
(2)将真空雾化的钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末。钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末的质量比为1:10；
(3)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(2)制备的粉末熔覆在步骤(1)制备的铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层。所述的超声频率为20kHZ，激光功率为1200W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。
(4)将步骤(3)得到的涂层板料放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制、入炉保温及冷却，然后去除氧化层。所述的热轧温度为420℃，轧制压下量为10％。热轧后以20℃/s速度加热至420℃保温，保温30min后水冷至室温。
(5)将步骤(4)获得的板料置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方；激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击，获得成品。激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50J；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：40％。
对制备得到的涂层进行微观组织表征及室温摩擦磨损性能测试。涂层中的组织致密和强化相分布均匀。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.45，质量磨损率为3.1×10-5g/m。
实施例2：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(3)的激光熔覆功率为1800W。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损性能测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.56，质量磨损率为3.7×10-5g/m，
实施例3：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(4)的热轧温度为460℃。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损性能测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.51，质量磨损率为3.5×10-5g/m。
实施例4：
与实施例1基本相同，但有以下改变：步骤(5)的激光冲击强化的搭接率为50％。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.49，质量磨损率为3.2×10-5g/m，对比例1：
(1)将真空雾化的钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末；钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末的质量比为1:10；
(2)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(1)制备的粉末熔覆在铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层；所述的超声频率为20kHZ，激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。
(3)将步骤(2)得到的涂层板料放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制、入炉保温及冷却，然后去除氧化层；所述的热轧温度为420℃，轧制压下量为10％。热轧后以20℃/s速度加热至420℃保温，保温30min后水冷至室温。
(4)将步骤(3)获得的板料置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方；激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击，获得成品。所述的激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50J；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：40％。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.75，质量磨损率为6.7×10-5g/m。
对比例2：
(1)将铝合金板料固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌；飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为30kHz，扫描速度为200mm/s，扫描线间距为20μm，步进为3μm，飞秒激光的光斑直径为40μm。
(2)将真空雾化的钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末；钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末的质量比为1:10；
(3)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(2)制备的粉末熔覆在步骤(1)制备的铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层；所述的超声频率为20kHZ，激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。
(4)将步骤(3)获得的板料置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方；激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击，获得成品。所述的激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度：40ns；激光能量：50J；激光波长：1064mm；光斑直径：4mm；搭接率：40％。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.66，质量磨损率为5.6×10-5g/m。
对比例3：
(1)将铝合金板料固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌；飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为30kHz，扫描速度为200mm/s，扫描线间距为20μm，步进为3μm，飞秒激光的光斑直径为40μm。
(2)将真空雾化的钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末；钛镍颗粒强化相与6系铝合金粉末的质量比为1:10；
(3)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(2)制备的粉末熔覆在步骤(1)制备的铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层；所述的超声频率为20kHZ，激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为1200W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。
(4)将步骤(3)得到的涂层板料放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制、入炉保温及冷却，然后去除氧化层；所述的热轧温度为420℃，轧制压下量为10％。热轧后以20℃/s速度加热至420℃保温，保温30min后水冷至室温，获得成品。
对制备得到的涂层进行室温摩擦磨损测试。耐磨涂层的室温摩擦磨损系数为0.62，质量磨损率为4.8×10-5g/m。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)将铝合金板料固定在电脑控制的位移平台上，进行飞秒激光“井”型微纳刻蚀加工，得到具有一定刻蚀痕迹的沟槽形貌；
(2)将真空雾化的颗粒强化相与铝合金粉末进行球磨混粉，球磨速度为100r/min，球磨时间为6h，获得均匀的铝基复合粉末；
(3)在氩气保护氛围下，采取超声辅助激光熔覆方式利用步骤(2)制备的粉末熔覆在步骤(1)制备的铝合金板料表面获得颗粒强化铝基复合涂层；
(4)将步骤(3)得到的涂层板料放入去离子水中超声清洗和吹干，将其固定在轧机工作平台上，接着进行轧制、入炉保温及冷却，然后去除氧化层；
(5)将步骤(4)获得的板料置于激光冲击加工平台上，激光冲击组件置于板料上方，激光冲击组件发射出激光束辐照在约束层上并对板料激光冲击，获得成品。
2.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述飞秒激光微纳刻蚀加工工艺参数为：中心波长为800nm，脉冲宽度为100～200fs，重复频率为20～40kHz，扫描速度为200～300mm/s，扫描线间距为10～30μm，步进为2～4μm，飞秒激光的光斑直径为40～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，颗粒强化相与铝合金粉末的质量比为1:2～10。
4.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的超声频率为20kHZ，激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为800～1500W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率40～60％，送粉速度6～14g/min。
5.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的热轧温度为400～480℃，轧制压下量为10～20％。
6.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述轧后冷却和热处理条件为：热轧后以20～30℃/s速度加热至400～480℃保温，保温25～35min后水冷至室温。
7.根据权利要求1所述的一种强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的激光冲击工艺参数如下：激光脉冲宽度：30ns～50ns；激光能量：20J～80J；激光波长：1064mm；光斑直径：2mm～6mm；搭接率：40～50％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，所述铝合金表面的摩擦磨损系数为0.45～056，质量磨损率为3.1×10-5～3.7×10-5g/m。
9.根据权利要求1所述的强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，所述铝合金为5、6或7系材料中的任一种。
10.根据权利要求1所述的强化铝合金表面耐磨性能的方法，其特征在于，所述铝基复合粉末涂层为钛镍颗粒强化6系铝基复合涂层。
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