CN115365503A - 氮化铝增强铝合金缸套的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，铝合金缸套材料中的氮化铝强化相通过电弧增材制造过程中Al与N反应原位生成，并通过回填式搅拌摩擦加工将氮化铝充分破碎得到，其中，缸套材料中含有弥散分布的氮化铝颗粒，且回填式搅拌摩擦加工将沉积体中晶粒充分细化，通过模具回填式搅拌摩擦加工沉积体以破碎氮化铝强化相，沉积体在模具中在挤出状态、回填状态之间不断变换且体积始终保持恒定，当沉积体的温度达到预定温度时，沉积体在模具中回填式搅拌摩擦加工成缸套且处于挤出状态，缸套半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套，该缸套材料具有较高的强度及良好的塑性。

Description

氮化铝增强铝合金缸套的制备方法

技术领域

本发明属于铝合金缸套制备技术领域，特别是一种氮化铝增强铝合金缸套的制备方法。

背景技术

随着汽车工业快速发展，轿车迅速进入普通百姓的生活；同时，车辆的节油性能逐渐受到重视。为了达到减轻车身重量的目的，近年来，汽车行业已逐步采用轻合金(如铝合金)材料来制备汽车零部件，如发动机缸体、活塞均已采用铝合金材料。采用了全铝合金材质的发动机替代铸铁材质的发动机，在减轻了车身重量的同时，还增强了发动机的散热效果，大大提高了发动机工作效率，减少燃油的消耗。

活塞和缸体在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作，轿车引擎的往复运动带来铝合金缸壁和活塞磨损量大的问题。活塞和缸体直接与高温气体接触，瞬时温度可达2200K，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。铝合金活塞和缸体在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。因此为了提高全铝发动机的实用性，首要考虑的便是解决铝合金缸套的高温耐磨性能。

目前已有多种满足不同性能需求的缸套结构形式，即无气缸套、干式缸套和湿式缸套等，但是仍然无法很好地解决铝合金汽缸套面临的主要问题：缸套的高温耐磨性能。国内外常用的铝合金缸套材料主要集中于对Al基自生Si增强复合材料的研究，但Al-Si合金中的初晶Si常呈现粗大的不规则形貌，这些粗大的初晶Si分布在Al基体中，虽然在一定程度上提高了材料的耐磨性，但也严重割裂了Al基体的连续性，且易引起材料的局部应力集中，导致材料综合力学性能的下降。此外，在铝合金表面沉积一层Al₂O₃陶瓷相也可以提高铝合金缸套的耐磨性能，然而Al₂O₃陶瓷相涂层的厚度通常很薄，通常为5-50μm之间，在发动机长期工作过程中对铝合金缸体的保护作用有限。与Al₂O₃相比，AlN的强度以及热稳定性均比Al₂O₃高，并且其与Al基体的润湿性更好，采用AlN作为弥散相制备的Al合金具有优异力学性能的潜力。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，具有较高的强度及良好的塑性，综合性能优异。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种氮化铝增强铝合金缸套的制备方法包括：

步骤1：铝合金板材作为堆积基板，在至少含有氮气的保护气体下通过电弧熔丝增材制造进行增材堆积形成沉积体，其中，所述沉积体在电弧熔丝增材制造过程中铝和氮反应原位生成氮化铝强化相；

步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工所述沉积体以破碎所述氮化铝强化相，沉积体在模具中在挤出状态、回填状态之间不断变换且体积始终保持恒定；

步骤3：当沉积体的温度达到预定温度时，沉积体在模具中回填式搅拌摩擦加工成缸套且处于挤出状态，缸套半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，步骤1中，以熔化极气体保护焊电弧为热源，铝合金焊丝为原材料，保护气体为纯氮气，或者氮气和氩气的混合气体。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，电弧熔丝增材制造中的电流为90A-150A，电压为16V-22V，焊枪行走速度为15cm/分钟-50cm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-20L/分钟。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，所述模具包括模具腔体以及在模具腔体中回填式搅拌摩擦沉积体的搅拌头和轴肩。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工时，搅拌头和轴肩同时运动，搅拌头和轴肩在模具腔体中往复运动使得沉积体在挤出状态、回填状态之间不断变换且模具腔体的体积始终保持恒定。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，步骤3：当沉积体的温度达到预定温度时，搅拌头和轴肩下压将沉积体挤压至模具腔体中成型为缸套。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，步骤3：搅拌头运动且轴肩静止不动，模具腔体的体积逐渐减小以提高氮化铝增强的铝合金缸套的致密度。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，增材堆积为多道多层堆积以堆积形成块状沉积体。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，预定温度为300℃。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法中，步骤1中，增材堆积形成沉积体后切除堆积基板，对沉积体进行车削加工使得尺寸适配于所述模具。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法通过电弧熔丝增材制造过程中Al与N反应生成氮化铝强化相，通过原位反应生成的氮化铝与铝合金基体能够很好地润湿，两者之间形成较好的结合，克服外加颗粒强化相与铝合金基体润湿不良的缺点。通过对沉积体进行回填式搅拌摩擦加工，将原位生成的氮化铝充分破碎、均匀化，克服外加强化颗粒不能均匀分布的缺点，回填式搅拌摩擦加工后，基体中分布有大量均匀、弥散的氮化铝颗粒，可以充分的发挥其强化作用，同时材料中的晶粒经过回填式搅拌摩擦加工被破碎、细化，使得缸套材料具有较高的强度及良好的塑性。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的布置示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，氮化铝增强铝合金缸套的制备方法包括，

步骤1：铝合金板材作为堆积基板，在至少含有氮气的保护气体下通过电弧熔丝增材制造进行增材堆积形成沉积体4，其中，所述沉积体4在电弧熔丝增材制造过程中铝和氮反应原位生成氮化铝强化相；

步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工所述沉积体4以破碎所述氮化铝强化相，沉积体4在模具中在挤出状态、回填状态之间不断变换且体积始终保持恒定；

步骤3：当沉积体4的温度达到预定温度时，沉积体4在模具中回填式搅拌摩擦加工成缸套且处于挤出状态，缸套半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，步骤1中，以熔化极气体保护焊电弧为热源，铝合金焊丝为原材料，保护气体为纯氮气，或者氮气和氩气的混合气体。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，电弧熔丝增材制造中的电流为90A-150A，电压为16V-22V，焊枪行走速度为15cm/分钟-50cm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-20L/分钟。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，所述模具包括模具腔体3以及在模具腔体3中回填式搅拌摩擦沉积体4的搅拌头1和轴肩2。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工时，搅拌头1和轴肩2同时运动，搅拌头1和轴肩2在模具腔体3中往复运动使得沉积体4在挤出状态、回填状态之间不断变换且模具腔体3的体积始终保持恒定。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，步骤3：当沉积体4的温度达到预定温度时，搅拌头1和轴肩2下压将沉积体4挤压至模具腔体3中成型为缸套。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，步骤3：搅拌头1运动且轴肩2静止不动，模具腔体3的体积逐渐减小以提高氮化铝增强的铝合金缸套的致密度。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，增材堆积为多道多层堆积以堆积形成块状沉积体4。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，预定温度为300℃。

所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法的优选实施方式中，步骤1中，增材堆积形成沉积体4后切除堆积基板，对沉积体4进行车削加工使得尺寸适配于所述模具。

本氮化铝增强铝合金缸套的制备方法抑制枝晶形成或者破坏已经形成的枝晶，可获得细小的、近球状的等轴晶粒，均匀地悬浮在液相中，对成形复杂零件非常有利。这种等轴、均匀细小的初生相和均匀分布在液相中的悬浮半固态浆料具有很好的流变特性，半固态浆料的黏度比液态金属高，一方面能实现平稳充型，无湍流和喷溅现象，且卷气较少，铸件内部组织致密、气孔缺陷少；另一方面，可在浆料中方便地加入增强材料(颗粒或纤维)来制备金属基复合材料，并减少增强材料的飘浮、偏析缺陷，为金属基复合材料的廉价生产开辟了一个新的途径。由于具有流变性和触变性，半固态浆料在加工变形抗力小，可成形复杂件，能源消耗低。由于制件组织为非枝晶结构，且偏析缺陷较少，零件的力学性能高，能接近或达到锻压件的水平。因为半固态成形温度低，一方面减轻了充型过程中金属熔体对模具的热冲击，模具的使用寿命会提高；另一方面由于半固态浆料中已有部分固相，因而凝固收缩率小，成形件尺寸精度高，表面质量好，可做到少或无切削加工，实现近终成形。

在一个实施方式中，回填式搅拌摩擦加工采用的搅拌工具是由搅拌针和轴肩2分体结构组成，通过搅拌针和轴肩2相对工件的准确运动，在搅拌头1回撤的同时填充匙孔，因此得到的点焊接头表面平整，焊点中心没有形成匙孔。与传统电阻点焊和铆接相比，本方法具有工艺过程简单、焊接表面优异、变形小、低能耗等优点，适合于大批量焊接，因而具有广阔的应用前景。采用回填式搅拌摩擦加工铝合金在氮气下的增材件，既具备铝合金半固态成型的优点，又利用搅拌摩擦使工件受到挤压而更致密的特点，同时又破碎了增材过程中产生的氮化铝相使其均匀分布。

在一个实施方式中，所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法包括电弧熔丝增材制造工艺和半固态加工工艺制备，缸套材料中的强化相为氮化铝，所述电弧熔丝增材制造工艺中的保护气体为纯氮气或者氮气和氩气的混合气体；半固态加工采用回填式搅拌摩擦加工的工艺来完成；缸套材料中的氮化铝强化相通过电弧增材制造过程中Al与N反应原位生成，并通过回填式搅拌摩擦加工将氮化铝充分破碎得到，其中，缸套材料中含有弥散分布的氮化铝颗粒。经过回填式搅拌摩擦加工材料中的晶粒被充分破碎、细化。

在一个实施方式中，如图1所示，所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法包括：

1)以熔化极气体保护焊电弧为热源，铝合金焊丝为原材料，铝合金板材作为堆积基板，纯氮气或者氮气和氩气的混合气体为保护气体，通过电弧熔丝增材制造进行增材堆积，形成沉积体4，用作缸套毛坯料；

2)切除堆积基板，对沉积体4缸套毛坯料进行车削粗加工，尺寸符合搅拌装置要求；

3)通过回填式搅拌摩擦加工模具对沉积体4进行加工，利用回填式搅拌摩擦加工过程中的搅拌作用使沉积体4中的氮化铝破碎。此过程中搅拌头1和轴肩2同时运动，在搅拌头1和轴肩2往复运功过程中，材料在被挤出状态、回填状态之间不断变换，但加工模具腔体3的体积始终保持恒定；

4)重复回填式搅拌摩擦加工，监控被加工材料温度，直至温度达到300℃左右。此过程中搅拌头1和轴肩2同时运动，在搅拌头1和轴肩2往复运功过程中，材料在被挤出状态、回填状态之间不断变换，但加工模具腔体3的体积始终保持恒定；

5)在被加工材料温度达到300℃左右条件下，利用加工模具中搅拌头1和轴肩2的下压及其准确的运动将沉积体4材料挤压至模具中成型为缸套形状，此时材料处于被挤出状态，通过半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套坯料。此过程中搅拌头1运动，而轴肩2静止不动，加工模具腔体3的体积呈现略微减小趋势，提高成型件的致密度；

6)将半固态成型得到氮化铝增强铝合金缸套坯料取出，进行精密机加工至最终尺寸。

在一个实施方式中，采用回填式搅拌摩擦加工模具对沉积体4进行反复加工使沉积体4氮化物及晶粒充分破碎细化。首先中心搅拌针旋转下压，轴肩2上移，氮弧增材沉积体4材料被搅拌破碎，形成缸套形状；随后中心搅拌针旋转上移，轴肩2下压，氮弧增材沉积体4材料被挤压成型至块状；随后中心搅拌针旋转下压，轴肩2上移，氮弧增材沉积体4材料再次被挤压成型缸套形状；最后搅拌针完全抽离，完成氮化铝增强铝合金缸套坯料的制备。

重复回填式搅拌摩擦加工，监控被加工材料温度，直至温度达到300℃左右。采用多点温度监测，确保被加工材料各区域温度都满足要求，必要时可以加热搅拌装置，以保障材料的温度和温度分布满足要求。

在被加工材料温度达到300℃左右条件下，利用加工模具中搅拌头1和轴肩2的下压及其准确的运动将沉积体4材料挤压至模具中成型为缸套形状，此时材料处于被挤出状态，通过半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套坯料。此过程中搅拌头1运动，而轴肩2静止不动，加工模具腔体3的体积呈现略微减小趋势，提高成型件的致密度。监测搅拌头1下压阻力，保证材料内部压应力不低于材料室温屈服强度的20％。

将半固态成型得到氮化铝增强铝合金缸套坯料取出，进行精密机加工至最终尺寸。利用搅拌头1材料和铝合金材料在膨胀系数方面的显著差异进行脱模，故待搅拌头1装置整体冷却至室温后脱模，或对搅拌头1装置强制冷却后脱模。

本方法是在铝合金基体中原位生成的，氮化铝能够与铝合金基体很好的润湿，两者之间有效结合。但此时氮化铝在铝合金基体中的存在形式为层片状，且尺寸很大，长度可达500μm，这种大尺寸的氮化铝并不能有效起到强化作用。因此本发明采用回填式搅拌摩擦加工的方式对沉积体4进行处理，破碎沉积体4中的氮化铝，使氮化铝能够更加均匀的分布在铝合金基体中，同时利用回填式搅拌摩擦加工模具将缸套制备出来。经过搅拌摩擦加工后氮化铝的形状变为颗粒状，尺寸大幅减小，最大尺寸仅为几微米，同时材料中的晶粒经过回填式搅拌摩擦加工被破碎、细化，从而制备出具有高强度、优良塑性的氮化铝增强铝合金缸套。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤，

步骤1：铝合金板材作为堆积基板，在至少含有氮气的保护气体下通过电弧熔丝增材制造进行增材堆积形成沉积体，其中，所述沉积体在电弧熔丝增材制造过程中铝和氮反应原位生成氮化铝强化相；

步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工所述沉积体以破碎所述氮化铝强化相，沉积体在模具中在挤出状态、回填状态之间不断变换且体积始终保持恒定；

步骤3：当沉积体的温度达到预定温度时，沉积体在模具中回填式搅拌摩擦加工成缸套且处于挤出状态，缸套半固态成型得到氮化铝增强的铝合金缸套。

2.根据权利要求1所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，优选的，步骤1中，以熔化极气体保护焊电弧为热源，铝合金焊丝为原材料，保护气体为纯氮气，或者氮气和氩气的混合气体。

3.根据权利要求2所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，电弧熔丝增材制造中的电流为90A-150A，电压为16V-22V，焊枪行走速度为15cm/分钟-50cm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-20L/分钟。

4.根据权利要求1所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，所述模具包括模具腔体以及在模具腔体中回填式搅拌摩擦沉积体的搅拌头和轴肩。

5.根据权利要求4所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，步骤2：通过模具回填式搅拌摩擦加工时，搅拌头和轴肩同时运动，搅拌头和轴肩在模具腔体中往复运动使得沉积体在挤出状态、回填状态之间不断变换且模具腔体的体积始终保持恒定。

6.根据权利要求4所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，步骤3：当沉积体的温度达到预定温度时，搅拌头和轴肩下压将沉积体挤压至模具腔体中成型为缸套。

7.根据权利要求4所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，步骤3：搅拌头运动且轴肩静止不动，模具腔体的体积逐渐减小以提高氮化铝增强的铝合金缸套的致密度。

8.根据权利要求1所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，增材堆积为多道多层堆积以堆积形成块状沉积体。

9.根据权利要求1所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，预定温度为300℃。

10.根据权利要求1所述的氮化铝增强铝合金缸套的制备方法，其中，步骤1中，增材堆积形成沉积体后切除堆积基板，对沉积体进行车削加工使得尺寸适配于所述模具。

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