CN1594654A - 铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于：包括下列步骤：①.表面清洁处理；②.造粒组装纳米Al2O3/TiO2；③.喷涂预组装：先喷涂一层Ni包Al，再喷涂一层组装纳米Al2O3/TiO2；④.在预组装涂层表面涂上一层吸光涂层；⑤.在氩气保护下，对表面进行激光扫描。采用本发明方法在铸铝表面激光组装成消除了孔隙和裂纹的纳米Al2O3/TiO2陶瓷镀层，该镀层的结合强度及耐磨性较传统热喷涂Al2O3/TiO2镀层有显著提高。

Description

铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法
技术领域：
本发明与铸铝表面强化处理有关，特别是一种铸铝表面激光快速组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法。
背景技术：
铸造铝合金(简称铸铝)具有良好的铸造性能及重量较轻、导电导热率较高、耐蚀等特点，在汽车、航空、航天等重要工业领域有广泛的应用。但由于铸铝硬度相对较低，耐磨性欠佳，限制了应用范围。众多研究者试图用表面处理方法来对之改性，其中在铸铝表面采用等离子喷涂陶瓷涂层，可以明显提高铸铝的耐磨性，但此涂层主要以亚稳相形式存在，层内有较高孔隙率，且呈层状结构，金属/陶瓷界面上存在较大残余应力，涂层在使用过程中容易脱落失效。激光重熔处理可以大大改善涂层中颗粒之间以及涂层与基体之间的结合强度，提高涂层质量，但处理后很难避免涂层中出现裂纹等缺陷。随着纳米技术的发展，对纳米陶瓷材料的研究表明：纳米陶瓷保持陶瓷高硬度、高耐蚀、高绝缘等特性之外，还具有比表面能高，原子扩散能力大大增强等特点，导致纳米陶瓷的熔凝温度明显降低，有利于熔凝组织致密化。但是由于纳米材料易团聚，从而可能在热作用过程中丧失上述“纳米效应”。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种铸铝表面激光快速组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，实现铸铝表面的纳米氧化物陶瓷镀层的优良性能。
本发明的技术解决方案如下：
一种铸铝表面激光快速组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于包括下列步骤：
①.表面清洁处理：在铸铝待组装表面进行去氧化皮和去油污处理；
②.造粒组装(NF)Al2O3/TiO2：将粒度为50～500nm的Al2O3/TiO2粉末经等离子致密化造粒组装成粒度为～30μm的粘合颗粒，简称(NF)Al2O3/TiO2；
③.喷涂预组装：在经第①步处理的铸铝表面先喷涂一层Ni包Al合金，层厚～0.05mm，再喷涂一层(NF)Al2O3/TiO2，层厚0.05～0.12mm；
④.在预组装涂层表面涂上一层激光的纳米氧化物吸收涂料(以下简称吸光涂层)，该吸收涂料发明专利申请号为：02136862.7；
⑤.在氩气保护下，对表面进行CO2激光扫描。
所述造粒组装(NF)Al2O3/TiO2体系中，Al2O3/TiO2的纳米粉末的最佳重量比例为87∶13。
所述造粒组装(NF)Al2O3/TiO2体系中，还添加有6～8Wt％的CeO2和8～10Wt％的ZrO2。
所述的吸光涂层是对CO2激光吸收率～94％的吸光涂层。
所述的激光扫描所使用的激光器宜采用工业用2～5kwCO2连续激光器，扫描激光功率密度5.03×103～2.04×104w/cm2，激光扫描速度为30～45mm/s。
本发明的技术效果：
对采用本发明方法制备的纳米Al2O3/TiO2镀层进行显微组织分析表明：镀层中引入的(NF)Al2O3/TiO2微粒表面能高，比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性高，非常有利于镀层致密化。此外，镀层下为熔点较低的Al-Si合金基体，在有效吸收的激光能量作用下容易熔解，而且Al-Si合金未熔基底导热性好，导致沿热流方向的快速凝固，这非常有利于与表面镀覆氧化物陶瓷的打底层Ni包Ai的熔融组合，从而形成冶金结合。
在(NF)Al2O3/TiO2体系中添加6～8Wt％的CeO2，可以抑制晶粒长大，在(NF)Al2O3/TiO2体系中添加8～10Wt％的ZrO2，有利于增加镀层的韧性。
本发明组装的镀层的相对结合强度较传统热喷涂Al2O3/TiO2镀层的相对结合强度提高了约7倍。此外，按ASTMG99及DIM50324测试标准，经选定的磨损实验条件下，铸铝表面热喷涂Al2O3/TiO2镀层的相对磨损体积是激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的11.82倍。这显然是由于激光超快速熔凝及纳米陶瓷材料的“纳米效应”的综合作用使镀层组织致密化及细化的结果。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1.铸铝为ZL104，作镀层基底材料，其成分为：
        Si                8.0～10.5Wt％
        Mg                0.17～0.3Wt/％
        Mn                0.2～0.5Wt/％
        Al                其余
在该铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，包括下列步骤：
·ZL104铸铝表面先经砂纸磨光，再用丙酮清洗后待用；
·在上述待用铸铝表面先热喷涂Ni包Al合金打底层，～0.05mm厚，再喷涂一层(NF)Al2O3/TiO2，层厚～0.12mm；
·在预组装镀层表面涂上增加对CO2激光吸收率的吸光涂层；
·对上述预组装镀层进行CO2激光扫描。采用的激光处理机为HJ-3型2500WCW CO2激光机。入射激光功率密度为2.04×104W/cm2，扫描速度为40mm/s。采用Ar气保护。
实施例2.
         入射激光功率密度为           5.03×103W/cm2
         激光扫描速度                 30mm/s
         Ni包Al底层厚                 0.05mm
         (NF)Al2O3/TiO2层厚       0.05mm
         其它同实施例1。
实施例3.
         入射激光功率密度为           6.3×103W/cm2
         激光扫描速度                 36mm/s
         Ni包Al                       0.05mm
         (NF)Al2O3/TiO2           0.08mm
         其它同实施例1。
实施例4.
         激光扫描速度为               40mm/s
         其它同实施例3。
实施例5.
         激光扫描速度为               45mm/s
         (NF)Al2O3/TiO2厚度       0.1mm
         其它同实施例1。
上述实施例，经扫描电镜对镀层剖面分析表明，镀层表面有一层深约0.12mm的细晶组织，最表面为一层深约1.7μm的白亮层，白亮层下面为快速熔凝的细晶组织，该层(包括“白亮层”)的EDAX成分分析表明基本符合预组装(NF)Al2O3/TiO2的成分组成。该层细晶组织下为反映激光扫描导致的热流方向并具有定向凝固特征的枝晶组织，层深～0.38mm。对该层的EDAX成分分析表明基本符合ZL104合金的成分组成，可见为ZL104基体的快速熔凝组织。
上述细晶层及枝晶层致密，未见裂纹与孔隙。
采用原子力显微镜观察，可见上述白亮层中有许多大小不一的晶粒，其中有相当数量的近于纳米尺度(≤100nm)。分析认为，在激光快速组装过程中镀层最表层中仅在氧化物陶瓷粒子外层发生部分烧结或溶解，形成一层致密的含大量未分解的纳米微粒的白亮层。
采用Rigakv Dmax-rcX-线衍射仪对镀层表面的相组成测试表明，镀层主要相为α-Al2O3、β-TiO2，未发现亚稳相δ-Al2O3或γ-Al2O3。
用显微硬度计对镀层(不包括基体熔凝层)的显微硬度测试表明，该细晶层硬度较高，从最表面→与基体交界上方，硬度值依次为：1813、1504、1485、1232HV0.05。
采用声发射探测和递增加载划痕法测得激光组装(NF)Al2O3/TiO2镀层结合强度(LC1)1＝11.4N，而传统热喷涂Al2O3/TiO2镀层的结合强度(LC1)2＝1.38N，(LC1)1/(LC1)2＝8.26，(LC1)1比(LC1)2提高了7.26倍。
采用CSM TRIBOMETER及CSM综合测试系统，按ASTMG99及DIM50324测试标准，在选定的磨损实验条件下，铸铝表面热喷涂Al2O3/TiO2镀层的相对磨损体积是激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的11.82倍。
综上所述，得出下列结果：
(1)在铸铝表面采用激光可以组装致密的消除了孔隙及裂纹的Al2O3/TiO2陶瓷镀层。
(2)镀层主要相为α-Al2O3及β-TiO2。
(3)镀层从最表面→与基体交界上方显微硬度为1813、1504、1485、1232HV0.05。
(4)镀层结合强度LC1＝11.4N，比传统热喷涂Al2O3/TiO2镀层的结合强度提高了7.26倍。
(5)按ASTMG99及DIM50324测试标准，在选定的磨损实验条件下，铸铝表面热喷涂Al2O3/TiO2镀层的相对磨损体积是激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的11.82倍。

Claims (5)

1、一种铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于包括下列步骤：
①.表面清洁处理：在铸铝待组装表面进行去氧化皮和去油污处理；
②.造粒组装(NF)Al2O3/TiO2：将粒度为50～500nm的纳米Al2O3/TiO2粉末经等离子致密化造粒组装成粒度为～30μm的粘合颗粒，简称(NF)Al2O3/TiO2；
③.喷涂预组装：在经第①步处理的铸铝表面先喷涂一层Ni包Al合金，层厚～0.05mm，再喷涂一层(NF)Al2O3/TiO2，层厚0.05～0.12mm；
④.在预组装涂层表面涂上一层激光的纳米氧化物吸收涂料；
⑤.在氩气保护下，对表面进行CO2激光扫描。
2、根据权利要求1所述的铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于：所述造粒组装(NF)Al2O3/TiO2体系中，Al2O3/TiO2的纳米粉末的最佳重量比例为87∶13。
3、根据权利要求2所述的铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于：所述造粒组装(NF)Al2O3/TiO2体系中，还添加有6～8wt％的CeO2和8～10wt％的ZrO2。
4、根据权利要求1所述的铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于：所述的吸光涂层是对CO2激光吸收率～94％的吸光涂层。
5、根据权利要求1或2或3或4所述的铸铝表面激光组装纳米Al2O3/TiO2镀层的方法，其特征在于：所述的激光扫描所使用的激光器采用工业用2～5kwCO2连续激光器，扫描激光功率密度5.03×103～2.04×104W/cm2，激光扫描速度为30～45mm/s。
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