CN117248208A - 激光熔覆制备高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆制备高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层的方法，所述方法为：将经过微弧氧化工艺制得表面陶瓷膜层的铝合金，浸入凹凸棒土悬浊液中，静置后，取出烘干，再进行激光熔覆处理，制得高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层。本发明制备的复合涂层的摩擦系数显著降低，平均摩擦系数小于单一微弧氧化陶瓷膜涂层，复合涂层样品磨损率显著降低，提高了铝合金的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于材料表面涂层技术领域，具体涉及一种激光熔覆制备高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层的方法。
背景技术
铝及其合金是热的良好导体，它的导热能力是铁的三倍，在工业上广泛地应用于各类散热器，热交换器等。然而，铝合金的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性不足限制了其应用范围。硬质阳极氧化铝合金虽然在表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面有适度的提高；但由于酸在电化学镀液中的广泛使用，阳极氧化的工艺不环保，所以，提高铝表面的耐磨损性能是必不可少的改进途径。
现有技术提出了许多表面处理技术，包括阳极氧化、微弧氧化、气相沉积、转化膜和电镀等，以提高铝的耐蚀性和耐磨性。其中，微弧氧化工艺的表现尤为突出。微弧氧化是在阳极氧化的基础上发展起来的一种表面改性技术。微弧氧化在微弧放电区使用即时高温烧结，在金属表面产生具有高硬度、高强度、绝缘、耐磨、耐腐蚀、耐高温和其他优异性能的氧化膜层，但是，由于微弧氧化放电通道的存在，在微弧氧化表面上形成多孔、火山状的形貌，会增加摩擦表面的接触面积，从而增加了摩擦力和摩擦系数。此外，多孔的膜层还可能容纳更多的润滑剂，导致润滑效果不佳，进一步增加了摩擦。
因此，铝合金微弧氧化表面的多孔火山状氧化物陶瓷膜层会显著增加摩擦对应物的损耗，并导致较大的摩擦系数。这可能会对材料的使用表现产生负面影响，如降低材料的耐磨性和使用寿命。有必要对微弧氧化的陶瓷膜层进一步改进，降低摩擦系数，提高其耐磨性能。
CN 103014706 A公开了一种金属表面的陶瓷膜层的制备方法，其包含下列步骤 ：将微弧氧化工艺得到的陶瓷膜层和陶瓷粉末进行预置式激光熔覆或同步式激光熔覆，该方法可以增加微弧氧化陶瓷膜层的厚度，从而达到更加耐磨和耐腐蚀的目的。然而该方法的主要目的是提高微弧氧化陶瓷膜层的厚度，不涉及到摩擦系数的改善，而且陶瓷粉末粘性较差，在微弧氧化层上激光熔化容易出现涂层的脱落、不均匀、表面粗糙度高等问题，仍然无法解决本申请提出的微弧氧化膜层粗糙度高导致摩擦系数较大的问题。此外激光功率过大会导致基体的变形，进一步影响表面涂层的质量。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种低能耗、操作简单、无污染的高耐磨铝合金复合涂层的制备方法。
本发明的发明原理在于：将矿物质凹凸棒土制成悬浊液，在加热干燥之后，干燥的凹凸棒土均匀的分布于微弧氧化膜层表面，经过激光打标机进行熔覆操作后，形成了致密的涂层，并且与氧化膜层紧密结合。复合涂层增强了微弧氧化表面的耐磨性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
激光熔覆制备高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层的方法，所述方法为：
将经过微弧氧化工艺制得表面陶瓷膜层的铝合金，浸入凹凸棒土悬浊液中，静置后，取出烘干，再进行激光熔覆处理，制得高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层。
所述凹凸棒土悬浊液中，凹凸棒土的质量百分含量为0.2-0.6 %，优选0.4%。一般将凹凸棒土按质量比加入去离子水中，经过超声震荡形成均匀的悬浊液。超声时间一般为3~4小时。
所述静置的时间一般为3~4小时。
所述烘干一般在70~75 ℃温度下干燥20~30 min。
所述激光熔覆处理的激光参数为：功率为50 W，扫描速度1000 mm/s，频率为20KHz，高度为134 mm,光斑尺寸为30×30 mm，扫描次数为单向扫描3次。
所述微弧氧化工艺优选采用双极性微弧氧化电源，铝合金在电解液中，进行微弧氧化处理，使铝合金表面生长出一层致密的陶瓷膜层。
所述电解液的配方包括六偏磷酸钠，硅酸钠，聚乙二醇，氢氧化钠。
进一步，所述电解液包括以下质量浓度的组分：33~37 g/L六偏磷酸钠，2~6 g/L硅酸钠，1~2 g/L聚乙二醇，1~2 g/L氢氧化钠，优选包括35 g/L六偏磷酸钠，4 g/L硅酸钠，2g/L聚乙二醇，1 g/L氢氧化钠。
进一步，所述双极性微弧氧化电源的电气参数优选为：控制方式为恒流，正向电流设定值为0.8~1.2 A/dm2，负向电流设定值为0.2~0.4 A/dm2，脉冲频率为400~700 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为13~17 min。
优选的，正向电流设定值为1.0 A/dm2，负向电流设定值为0.4 A/dm2，脉冲频率为600 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为15 min。
本发明还提供上述方法制备得到的高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层。
本发明将凹凸棒土通过悬浊液浸渍的方式，附着在铝金属的微弧氧化层，然后通过激光熔覆处理得到复合涂层。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1. 制备方法简单，涉及的制备条件安全，成本较低。
2. 制备过程无污染物排放，具备环保特征，可大规模生产。
3.制备的复合涂层的摩擦系数显著降低，与氧化锆球（直径10 mm）配副进行摩擦学实验，在5 N载荷，滑动速度60 mm/s，水润滑条件下进行，平均摩擦系数小于单一微弧氧化陶瓷膜涂层，复合涂层样品磨损率显著降低，提高了铝合金的耐磨性能。
附图说明
图1 为实施例3中铝基体、单一涂层、复合涂层在水润滑条件下的摩擦系数曲线图。
图2 为实施例3中铝基体、单一涂层、复合涂层在水润滑条件下的表面磨损形貌。
具体实施方式
下面以具体实施例来对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1：调节双极性微弧氧化电源的电气参数，将正向电流设定值为0.8 A/dm2，负向电流设定值为0.2 A/dm2，脉冲频率为400 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为13 min。配制电解液，将33 g六偏磷酸钠，2 g硅酸钠，1 g聚乙二醇，1 g氢氧化钠在室温下溶解于1 L的去离子水中。在电解液中使6061铝合金表面生长出一层致密的陶瓷层，取0.2 g凹凸棒土粉末倒入99.8 mL的去离子水中，超声震荡形成均匀的悬浊液，将微弧氧化后的铝合金浸没于悬浊液中静置3小时。取出后在70 ℃的烘箱中干燥30 min，干燥的凹凸棒土均匀分布在微弧氧化陶瓷膜层表面。将样品用激光打标机进行熔覆处理，最终得到基于微弧氧化和激光熔覆处理后的复合涂层。
所述激光熔覆处理的激光参数为：功率为50 W，扫描速度1000 mm/s，频率为20KHz，高度为134 mm,光斑尺寸为30×30 mm，扫描次数为单向扫描3次。
实施例2：调节双极性微弧氧化电源的电气参数，将正向电流设定值为0.9 A/dm2，负向电流设定值为0.3 A/dm2，脉冲频率为500 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为14 min。配制电解液，将34 g六偏磷酸钠，3 g硅酸钠，2 g聚乙二醇，1 g氢氧化钠在室温下溶解于1 L的去离子水中。在电解液中使6061铝合金表面生长出一层致密的陶瓷层，取0.3 g凹凸棒土粉末倒入99.7 mL的去离子水中，超声震荡形成均匀的悬浊液，将微弧氧化后的铝合金浸没于悬浊液中静置3小时。取出后在70 ℃的烘箱中干燥30 min，干燥的凹凸棒土均匀分布在微弧氧化陶瓷膜层表面。将样品用激光打标机进行熔覆处理，最终得到基于微弧氧化和激光熔覆处理后的复合涂层。激光参数同实施例1。
实施例3：调节双极性微弧氧化电源的电气参数，将正向电流设定值为1.0 A/dm2，负向电流设定值为0.4 A/dm2，脉冲频率为600 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为15 min。配制电解液，将35 g六偏磷酸钠，4 g硅酸钠，2 g聚乙二醇，1 g氢氧化钠在室温下溶解于1 L的去离子水中。在电解液中使6061铝合金表面生长出一层致密的陶瓷层，取0.4 g凹凸棒土粉末倒入99.6 mL的去离子水中，超声震荡形成均匀的悬浊液，将微弧氧化后的铝合金浸没于悬浊液中静置3小时。取出后在70 ℃的烘箱中干燥30 min，干燥的凹凸棒土均匀分布在微弧氧化陶瓷膜层表面。将样品用激光打标机进行熔覆处理，最终得到基于微弧氧化和激光熔覆处理后的复合涂层。激光参数同实施例1。
使用型号为 339-GSR Ⅱ的钢丝绒耐摩擦试验机，采用球-盘接触法进行滑动磨损实验，摩擦副材料为氧化锆球（氧化锆球的密度为6.01 g/cm3，球的直径为10 mm）。在固定载荷（5 N）和固定滑动速度（60 mm/s）的滑动磨损过程中，确定了水润滑条件下产生的摩擦系数。摩擦时间固定为10 min，位移振幅设置为10 mm。取实施例3的复合涂层样品以及未经过激光熔覆处理的微弧氧化膜层样品进行实验，得到图1所示的摩擦系数曲线图。滑动磨损实验结束后，将样品及氧化锆球取下，在无水乙醇中对样品进行超声波清洗，以去除摩擦产生的碎屑，后用吹风机吹干，使用金相显微镜（AOSVI,M330-HK830）观察样品及配副磨损形貌。最后得到图2所示的样品的磨损形貌。图2中，（a）图为铝基体的磨损表面，（b）图为微弧氧化膜层样品的磨损表面，（c）图为复合涂层样品的磨损表面。
图1的结果表明，复合涂层样品水润滑条件下的摩擦系数低于铝基体和微弧氧化膜层。在图1中，摩擦实验前期，三种样品在水润滑条件下随着摩擦时间的增加摩擦系数呈稳定上升趋势。微弧氧化膜层的摩擦系数整体小于铝基体，复合涂层样品的摩擦系数整体小于微弧氧化膜层。复合涂层样品的摩擦系数最小，是因为表面熔覆的凹凸棒土是一种含有高比表面积的粘土矿物质，对水有很强的吸附性能，可以吸收水分并膨胀，这会削弱粘土颗粒之间的接触和黏着力，减少表面间的粘附力，从而降低摩擦系数。
图2结果表明，在水润滑条件下，铝基体的摩擦面磨损碎屑最多，微弧氧化膜层的摩擦面磨损碎屑多于复合涂层的摩擦面磨损碎屑。铝基体表面与配副直接接触，磨损最大。微弧氧化膜层将铝基体与配副隔离，摩擦过程中主要是磨粒磨损和黏着磨损。复合涂层的碎屑最少是因为熔覆的凹凸棒土在微弧氧化膜层表面构成了一层更为耐磨的结构。同时复合涂层的磨痕比铝基体的磨痕更细，表明复合涂层表面比铝基体表面突起更少，粗糙度更低。
实施例4：调节双极性微弧氧化电源的电气参数，将正向电流设定值为1.1 A/dm2，负向电流设定值为0.4 A/dm2，脉冲频率为700 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为16 min。配制电解液，将36 g六偏磷酸钠，5 g硅酸钠，2 g聚乙二醇，1 g氢氧化钠在室温下溶解于1 L的去离子水中。在电解液中使6061铝合金表面生长出一层致密的陶瓷层，取0.5 g凹凸棒土粉末倒入99.5 mL的去离子水中，超声震荡形成均匀的悬浊液，将微弧氧化后的铝合金浸没于悬浊液中静置3小时。取出后在70 ℃的烘箱中干燥30 min，干燥的凹凸棒土均匀分布在微弧氧化陶瓷膜层表面。将样品用激光打标机进行熔覆处理，最终得到基于微弧氧化和激光熔覆处理后的复合涂层。激光参数同实施例1。
实施例5：调节双极性微弧氧化电源的电气参数，将正向电流设定值为1.2 A/dm2，负向电流设定值为0.4 A/dm2，脉冲频率为700 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长设定为17 min。配制电解液，将37 g六偏磷酸钠，6 g硅酸钠，2 g聚乙二醇，2 g氢氧化钠在室温下溶解于1 L的去离子水中。在电解液中使6061铝合金表面生长出一层致密的陶瓷层，取0.6 g凹凸棒土粉末倒入99.4 mL的去离子水中，超声震荡形成均匀的悬浊液，将微弧氧化后的铝合金浸没于悬浊液中静置3小时。取出后在70 ℃的烘箱中干燥30 min，干燥的凹凸棒土均匀分布在微弧氧化陶瓷膜层表面。将样品用激光打标机进行熔覆处理，最终得到基于微弧氧化和激光熔覆处理后的复合涂层。激光参数同实施例1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.激光熔覆制备高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层的方法，其特征在于所述方法为：
将经过微弧氧化工艺制得表面陶瓷膜层的铝合金，浸入凹凸棒土悬浊液中，静置后，取出烘干，再进行激光熔覆处理，制得高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述凹凸棒土悬浊液中，凹凸棒土的质量百分含量为0.2-0.6 %。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述凹凸棒土悬浊液是将凹凸棒土按质量比加入去离子水中，经过超声震荡形成均匀的悬浊液。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述静置的时间为3~4小时。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光熔覆处理的激光参数为：功率为50W，频率为20 KHz，高度为134 mm,光斑尺寸为30×30 mm，扫描次数为单向扫描3次。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述微弧氧化工艺采用双极性微弧氧化电源，铝合金在电解液中，进行微弧氧化处理，铝合金表面生长出一层致密的陶瓷膜层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述电解液的配方包括六偏磷酸钠，硅酸钠，聚乙二醇，氢氧化钠。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述电解液包括以下质量浓度的组分：33~37g/L六偏磷酸钠，2~6 g/L硅酸钠，1~2 g/L聚乙二醇，1~2 g/L氢氧化钠。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述双极性微弧氧化电源的电气参数为：控制方式为恒流，正向电流设定值为0.8~1.2 A/dm2，负向电流设定值为0.2~0.4 A/dm2，脉冲频率为400~700 Hz，正占空比为20 %，负占空比为20 %，微弧氧化时长为13~17 min。
10.如权利要求1~9之一所述的方法制备得到的高耐磨铝合金微弧氧化复合涂层。
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