CN115572972B - 一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法 - Google Patents

一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)粘接涂层原料：使用粘接剂将镁稀土合金粘在镁锂合金的表面，镁稀土合金的厚度为150～250μm；(2)干燥：将粘接镁稀土合金层的镁锂合金进行干燥，使得粘接剂干燥；(3)激光熔覆处理：采用激光器对干燥后的样品进行激光熔覆处理，激光功率50～100W，扫描速度4～8mm/s。本发明方法，过程步骤简单，仅经过激光表面熔覆技术，能有效的提升镁锂合金的表面硬度及耐磨性。

Description

一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面改性加工技术领域，具体涉及一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法。
背景技术
镁合金是实用金属中质量最轻且储量丰富的金属，在轻量化方面有极大的优势。与其他金属结构材料相比，镁锂合金被称为“超轻合金”，其密度在0.95～1.65g/cm3之间，大约是铝基合金的一半，具有强度、刚度高，冷热变形能力强，各向异性不明显，低温性能良好等性能，被广泛应用于各工业领域。
而常规镁合金的室温成形性较差，为了以最轻的重量获得高成形性，Mg-Li合金被普遍认为是航空航天行业的潜在候选材料。因此，为解决Mg-Li合金强度低、耐磨性能差等问题，提高镁锂合金的表面强度是其广泛应用之前需要解决的一个关键课题。然而，Mg-Li合金由于强度低、耐磨性差，其应用仍然有限。因此，提高镁锂金的表面硬度，在其表面制备出性能优异的耐磨涂层，对其发展具有重要意义。
镁锂合金的表面处理方法主要有化学转化处理、阳极氧化处理、离子注入、化学镀、电镀、微弧氧化、表面充填密封、物理气相沉积、激光表面改性等。其中激光对材料的作用时间很短，使得在极短的时间内，材料的熔化与凝固便可完成并只影响表层材料的性能，底层材料充当了无限大的热扩散体，因此对底层材料的热影响很小。激光表面处理后可获得良好的表层组织，改善材料的表面性能，使材料的耐蚀、耐磨等性能得以提高。激光熔覆技术是通过高能量激光束作用使基材表面的熔覆材料与基材表层熔凝并相互作用形成均匀连续的激光熔覆层，该熔覆层能显著改善基材的表面性能，为冶金结合。
由于激光熔覆技术可以使材料在极短的时间内完成熔化与凝固，并只影响表层材料的性能，因此该技术作为一种新型表面改性技术，得到学者的广泛关注。相关研究表明：激光熔覆不仅可以通过改变熔覆层的组织的均匀性和致密性，强化冶金合金，产生细晶强化、沉淀强化、第二相强化等效果，而且还会因为激光熔覆功率不同，导致细晶强化和沉淀强化的效果不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决镁锂合金表面强度低、耐磨性能差等问题，提供一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，实现镁锂合金表面相关性能的显著提升。
本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：
一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)粘接涂层原料：使用粘接剂将镁稀土合金粘在镁锂合金的表面，镁稀土合金的厚度为150～250μm；
(2)干燥：将粘接镁稀土合金层的镁锂合金进行干燥，使得粘接剂干燥；
(3)激光熔覆处理：采用激光器对干燥后的样品进行激光熔覆处理，激光功率50～100W，扫描速度4～8mm/s。
优选地，步骤(1)中，
镁锂合金粘接镁稀土合金之前先进行打磨去除表面氧化物以保证激光加工后表面质量的均匀性；镁稀土合金在粘接之前事先进行打磨以达到设定的厚度要求，然后用洗涤剂冲洗后备用；
镁锂合金的厚度不低于2mm或3mm或4mm或5mm，优选为2～10mm或3～8mm或4～7mm或4～6mm；
镁稀土合金的厚度为160～240μm或170～230μm或180～220μm；
镁稀土合金的面积与要制备涂层的镁锂合金面积匹配，覆盖在整个镁锂合金面要制备涂层的表面上。
在上述技术方案中，按重量百分比计，所述镁锂合金包括：Li 2～13％，余量为Mg和不可避免的杂质；
优选Li 3～13％或4～13％或4～12％或5～12％。
优选地，所述镁锂合金为镁-锂-钇合金，按重量百分比计，还包括Y 0.05～0.6％或0.08～0.6％或0.1～0.6％或0.1～0.5％或0.15～0.45％。
在上述技术方案中，按重量百分比计，所述镁稀土合金包括1～25％的稀土元素，余量为Mg；优选含稀土元素5～25％或10～25％或10～23％或15～25％或17～23％或18～22％或19～21％或20％。
优选地，所述稀土元素为Y，所述镁稀土合金为镁钇合金。
在上述技术方案中，所述粘接剂为有机粘结剂。
优选地，所述有机粘结剂选自PVA、氰基丙烯酸酯、环氧树脂AB胶中的一种或几种。
优选地，步骤(2)干燥为自然晾干或者在烘箱中干燥，烘箱中的温度为50～100℃，烘干时间为2～5h；
步骤(3)中激光熔覆处理时激光扫描工作参数为频率20Hz，离焦量2mm，搭接率50％。
本发明的另一目的是提供一种高硬高耐磨镁锂合金复合材料，是在镁锂合金表面复合镁稀土合金涂层得到，所述镁稀土合金涂层是采用上述任一项所述的方法在镁锂合金表面进行激光熔覆得到。
本发明的有益效果是：本发明方法，过程步骤简单，仅经过激光表面熔覆技术，能有效的提升镁锂合金的表面硬度及耐磨性。通过激光熔覆处理，对镁锂合金表面合金化片状镁稀土合金，由于激光熔覆过程中快速冷却的特性，使得样品熔覆区形成了多种第二相。其中引入的Y原子与Mg原子的大小差异，使得引入后发生晶格畸变，产生固溶强化作用使得样品的硬度得到提升，除此之外，硬质第二相Mg24Y5及含Y相的形成也产生了第二相强化作用，且由于Mg24Y5及含Y相含量的差异，第二相强化的作用大小不同，硬度提升的程度也不同。其中含Y相的减少会使得Mg24Y5第二相强化的效果增强，从而使得硬度的提升上有1～2倍的差距。而较少的Mg24Y5与β-Li会使得耐磨性能得以提高。
附图说明
图1为实施例1中金相腐蚀后熔覆层与Mg-5.5Li-0.5Y合金基体界面处微观组织图。
图2为实施例2中激光熔覆处理前Mg-8.5Li-0.5Y合金基体磨损形貌图。
图3为实施例2中激光熔覆处理后Mg-8.5Li-0.5Y合金磨损形貌图。
图4为实施例2中激光熔覆处理前后Mg-8.5Li-0.5Y合金摩擦系数对比图，其中实线为激光熔覆处理前Mg-8.5Li-0.5Y合金摩擦系数曲线，虚线为激光熔覆处理后Mg-8.5Li-0.5Y合金摩擦系数曲线。
图5为实施例2中激光熔覆处理前后Mg-8.5Li-0.5Y合金磨痕形貌对比图，其中实线为激光熔覆处理前Mg-8.5Li-0.5Y合金磨痕形貌，虚线为激光熔覆处理后Mg-8.5Li-0.5Y合金磨痕形貌。
图6为实施例3中激光熔覆处理后Mg-11.5Li-0.5Y合金截面硬度分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用材料如无特殊说明，均为本领域常规材料，均可通过商购获得。
本发明实施例中使用的如下材料均为商购获得。
本发明各实施例中所用镁锂合金为镁-锂-钇合金：
Mg-5.5Li-0.5Y合金，其化学成分为：按重量百分比计，Li 5.375％、Y0.400％，余量为Mg和不可避免的杂质。
Mg-8.5Li-0.5Y合金，其化学成分为：按重量百分比计，Li 8.574％、Y0.382％，余量为Mg和不可避免的杂质。
Mg-11.5Li-0.5Y合金，其化学成分为：按重量百分比计，Li 11.440％、Y0.182％，余量为Mg和不可避免的杂质。
镁稀土合金为镁钇合金，其化学成分为：按重量百分比计，Y20％、余量为Mg和不可避免的杂质。
实施例1
本发明的一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，按以下步骤操作：
(1)使用砂纸打磨14mm×14mm×5mm的Mg-5.5Li-0.5Y合金表面至光滑，然后使用无水乙醇将基体表面清洗干净；
(2)将14mm×14mm×0.22mm的片状镁钇合金用粘接剂PVA(聚乙烯醇)粘在打磨好的Mg-5.5Li-0.5Y合金的表面；
(3)将样品放在通风处，自然晾干4～5h；
(4)采用激光器对带有镁稀土合金预置层的样品进行激光熔覆处理，激光熔覆工艺参数为：激光功率100W，扫描速度8mm/s，频率20Hz，离焦量2mm，搭接率50％。
采用金相显微镜对在Mg-5.5Li-0.5Y合金表面制得的镁稀土合金熔覆层进行观察，如图1所示，可以看出激光熔覆后熔覆层与基体冶金情况良好，熔池内部组织均匀，无裂纹孔洞，采用本发明方法制备的涂层和基体连接良好。
实施例2
本发明的一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，按以下步骤操作：
(1)使用砂纸打磨Mg-8.5Li-0.5Y合金表面至光滑，然后使用无水乙醇将基体表面清洗干净；
(2)使用PVA(聚乙烯醇)将厚度为190μm的片状镁稀土合金粘在打磨好的Mg-8.5Li-0.5Y合金的表面；
(3)将样品放入烘干箱，在80℃下烘干4h；
(4)采用激光器对带有镁稀土合金预置层的样品进行激光熔覆处理，得到提高镁锂合金表面性能的熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率50W，扫描速度4mm/s，频率20Hz，离焦量2mm，搭接率50％。
使用金相显微镜对激光熔覆样品截面压痕位置及形貌进行观察，根据硬度测试结果可知，熔池硬度平均值136.73HV，基体硬度平均值48.1HV，激光熔覆后熔覆层硬度平均值提高约为基体的2倍(即(熔覆后的硬度-熔覆前原始基体的硬度)/原始基体的硬度)，与固溶强化结论相一致。
采用摩擦磨损实验机对激光熔覆处理前及激光熔覆处理后的Mg-8.5Li-0.5Y合金表面分别进行摩擦磨损实验，工作条件为：干摩擦，载荷1N，频率2Hz，持续20min，磨痕长度为10mm。并使用扫描电子显微镜进行拍摄，得到如图2、图3所示的磨痕形貌照片。由图2可以看出：Mg-8.5Li-0.5Y基体磨损表面沿滑动方向形成大量密集的犁沟，周围伴有大量磨屑。结合EDS结果分析可知，激光熔覆前主要磨损机理为磨粒磨损，伴有氧化磨损和粘着磨损。由图3可以看出：激光熔覆后磨损表面与基体相似，沿滑动方向形成大量密集的犁沟，周围伴有大量磨屑，结合EDS结果知激光熔覆后的主要磨损机理仍为磨粒磨损，但仅伴有氧化磨损。
采用白光干涉仪对激光熔覆处理前及激光熔覆处理后的Mg-8.5Li-0.5Y合金表面的磨痕进行观察，并使用Vision64、viewer和Origin处理数据，绘制摩擦系数曲线及磨损体积形貌图，得到如图4、图5所示的摩擦系数对比曲线及磨损体积形貌对比图。由图4可以看出：激光熔覆处理前，随着试验时间的增加，摩擦系数稳定上升；激光熔覆处理后，随着试验时间的增加，摩擦系数也呈上升趋势，但波动范围减小，且整体数值低于熔覆前的摩擦系数。经计算激光熔覆前磨损率为4.638×10-4mm3·N-1·m-1，激光熔覆后磨损率为1.837×10-4mm3·N-1·m-1。由图5可以看出：激光熔覆后的磨痕宽度和深度值低于熔覆前的磨痕宽度和深度值。结合磨痕形貌照片，证明了镁稀土合金熔覆层能够显著提升Mg-8.5Li-0.5Y合金的耐磨性。
实施例3
本发明的一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，按以下步骤操作：
(1)使用砂纸打磨14mm×14mm×5mm的Mg-11.5Li-0.5Y合金表面至光滑，然后使用无水乙醇将基体表面清洗干净；
(2)使用PVA将厚度为180μm的片状镁稀土合金粘在打磨好的Mg-11.5Li-0.5Y合金的表面；
(3)将样品放入烘干箱，在80℃下烘干4h；
(4)采用激光器对带有镁稀土合金预置层的样品进行激光熔覆处理，得到提高镁锂合金激光表面性能的熔覆层，激光熔覆工艺参数为：激光功率50W，扫描速度4mm/s，频率20Hz，离焦量2mm，搭接率50％。
采用显微硬度测试仪对在Mg-11.5Li-0.5Y合金表面制得的镁稀土合金熔覆层及基体上进行显微硬度测试，得到如图6所示的截面硬度分布图。由图6可以看出：熔池硬度平均值155.91HV，基体硬度平均值46.06HV，硬度提高约2.5倍，证明了镁稀土合金涂层能够明显提升镁锂合金的表面硬度。
通过对激光熔覆前后的试样进行摩擦磨损实验知，激光熔覆前后主要磨损机理均为粘着磨损，伴有氧化磨损与磨粒磨损。但熔覆后的磨痕宽度和深度值均低于熔覆前的磨痕宽度和深度值，且熔覆前磨损率为8.831×10-4mm3·N-1·m-1，熔覆后磨损率为4.909×10-4mm3·N-1·m-1，即说明Mg-11.5Li-0.5Y激光熔覆后耐磨损性能有明显提升。

Claims (12)

1.一种镁锂合金表面的高硬高耐磨镁稀土合金涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）粘接涂层原料：使用粘接剂将镁稀土合金粘在镁锂合金的表面，镁稀土合金的厚度为150～250μm；
（2）干燥：将粘接镁稀土合金层的镁锂合金进行干燥，使得粘接剂干燥；
（3）激光熔覆处理：采用激光器对干燥后的样品进行激光熔覆处理，激光功率 50～100W，扫描速度 4～8mm/s。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，
镁锂合金粘接镁稀土合金之前先进行打磨去除表面氧化物以保证激光加工后表面质量的均匀性；镁稀土合金在粘接之前事先进行打磨以达到设定的厚度要求，然后用洗涤剂冲洗后备用；
镁锂合金的厚度不低于2mm；
镁稀土合金的厚度为160～240μm；
镁稀土合金的面积与要制备涂层的镁锂合金面积匹配，覆盖在整个镁锂合金面要制备涂层的表面上。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，镁锂合金的厚度为2～10mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：按重量百分比计，所述镁锂合金包括：Li 2～13%，余量为Mg和不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述镁锂合金为镁-锂-钇合金，按重量百分比计，还包括Y 0.05～0.6%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：按重量百分比计，所述镁稀土合金包括1～25%的稀土元素，余量为Mg。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：按重量百分比计，所述镁稀土合金含稀土元素5～25%。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述稀土元素为Y，所述镁稀土合金为镁钇合金。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为有机粘结剂。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述有机粘结剂选自 PVA、氰基丙烯酸酯、环氧树脂AB胶中的一种或几种。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)干燥为自然晾干或者在烘箱中干燥，烘箱中的温度为 50～100℃，烘干时间为 2～5 h；
步骤(3)中激光熔覆处理时激光扫描工作参数为频率20Hz，离焦量2mm，搭接率50%。
12.一种高硬高耐磨镁锂合金复合材料，其特征在于：是在镁锂合金表面复合镁稀土合金涂层得到，所述镁稀土合金涂层是采用权利要求1至11任一项所述的方法在镁锂合金表面进行激光熔覆得到。
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