鋁合金表面合成陶瓷顆粒增強熔覆層的粉末材料及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于表面工程領域，特別是涉及一種鋁合金表面合成陶瓷顆粒增強熔覆層的粉末材料及方法，在鋁合金基體表面反應合成TiCx顆粒增強金屬基復合材料熔覆層，利用激光熔覆法在鋁合金基體上反應合成TiCx/AlNiYSi熔覆層的粉末材料和制備工藝。
【背景技術】
[0002]鋁合金具有密度低、塑性高、抗腐蝕性能好等優點，在航空航天、汽車及其它機械制造、船舶及化學工業中已得到廣泛應用。但鋁合金具有熔點低(約660°C)、強度較低、硬度低、耐磨性差等缺點，而且難以用常規的熱處理方法進行硬化處理，這些缺點限制了其應用范圍。
[0003]對于航空航天用鋁合金結構，如果在鋁合金基體上制備陶瓷顆粒增強的熔覆層，就能在防護結構面密度基本不變的前提下，顯著提高鋁合金結構的抗高速或超高速撞擊的能力。對于火電廠用鋁合金風機葉片而言，沖蝕磨損是導致葉片失效的主要原因；需要在葉片表面制備耐磨涂層來延長葉片使用壽命。
[0004]熱噴涂技術雖然可用于制備陶瓷顆粒增強涂層，但涂層存在結合強度較低(機械結合、結合強度僅10-40MPa)、孔隙率較高(2-12% )等局限性，難以滿足嚴酷磨損環境下的涂層長壽命工作要求。
[0005]與噴涂、堆焊、等離子熔覆、氣相沉積等技術相比，激光熔覆法具有稀釋度小、組織致密、熔覆層與基體冶金結合等優點。但在鋁合金基體上制備熔覆層，需要重點解決如下技術問題:(1)鋁合金熔點低，而一些鋁合金部件為薄壁結構；需要嚴格控制熔覆時鋁合金部件的溫度場，以預防鋁合金部件變形或局部熔化而塌陷損壞。(2)熔覆時需要足夠的能量密度擊穿鋁合金表面致密的氧化鋁鈍化膜，從而使熔覆層與鋁合金基體達到冶金結合。(3)碳化物、硼化物陶瓷的熔點高達2000-3150°C，如采用直接熔覆陶瓷顆粒-金屬混合粉末的方法，熔覆層中陶瓷顆粒偏聚、陶瓷相與粘結相界面結合強度低等問題難以避免。(4)鋁合金的反射率對激光的波長很敏感，例如鋁合金對波長為10.6 ym的CO2激光的反射率很高，在加工過程中激光能量大部分被表面所反射，如何提高鋁對激光能量的吸收率成為激光熔覆過程中的一大難題。雖然可采用化學著色、火焰噴涂和表面粗糙化、涂料等方法增加吸收率，但效果不明顯。(5)熔覆層易形成氣孔。熔覆層內的氣孔主要是由于熔化過程中產生的氣體在快速凝固過程中來不及逸出而形成的。采用預敷法時，如粘結劑選用不當，也會在熔化中產生氣體。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種鋁合金表面合成陶瓷顆粒增強熔覆層的粉末材料及方法，利用高功率半導體光纖耦合輸出激光器在鋁合金基體表面原位合成TiCx (X表示C與Ti的原子比)陶瓷顆粒增強的TiCx/AlNiYSi熔覆層的粉末材料及其制備工藝。利用激光束熔覆本發明所述粉末材料，形成TiCx/AlNiYSi復合材料熔覆層。熔覆層與基體結合界面Al含量梯度變化，并可避免在熔覆層與基體結合界面生成脆性相，從而使熔覆層與基體結合強度高。所用高功率半導體光纖耦合輸出激光器的激光波長為980nm，在相同的熔覆功率下，其熔覆效率約為0)2激光器的13倍。通過同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度在400-4000 μ m范圍。
[0007]本發明所述熔覆層的粉末原料的各組份重量百分含量如下:
[0008]石墨C粉(粒度-200+400目，純度多99.5 %，其中，-200+400目表示粉末粒度在 400 目至 200 目范圍，):6-13.9wt.% ;Al-Ti_N1-Y-S1-La203合金粉(粒度-100+325目):余量；其中 Al-T1-N1-Y-S1-La2O3合金粉末的成分為:T1:30-65wt.% ；Ni:5-10wt.% ；Y:3-5wt.% ；S1: 0.8-3wt.% ；La2O3:0.5-lwt.% ；A1:余量。
[0009]為保證激光熔覆后熔覆層中所形成TiCx相的X在0.7-1范圍。混合粉末中T1、C重量比在2.8-4范圍。
[0010]粉末原料中各組分作用如下:
[0011]在激光束作用下，Al-T1-N1-Y-S1-La2O3合金粉末達到熔點以上溫度，Ti與C在高溫下發生放熱反應生成高硬度的TiCx相，Al、N1、Y、Si反應形成AlNiYSi合金(即熔覆層中的連續相)，La2O3作為摻雜相彌散分布在熔覆層中。通過Ni對Al的固溶強化作用和較高硬度的Al-Si化合物的形成，使熔覆層中連續相的高溫強度和耐磨性顯著提高，從而顯著提高熔覆層的整體高溫性能和耐磨性。Y的作用是提高鋁合金基體與熔覆層結合界面的結合強度與韌性。Si的加入可提高熔覆層致密度，減少氣孔的形成。La2O3的作用是細化晶粒，La2O3能弱化TiCx顆粒生長的方向性，可阻止粗大TiCx樹枝晶的生長，從而達到細化陶瓷相及合金連續相晶粒尺寸的目的。
[0012]為了使粉末具有較好的球形度，本發明采用氣霧化法制備Al-T1-N1-Y-S1-La2O3合金粉末，并利用篩分法對粉末進行粒度篩分，篩分后用于激光熔覆的粒度范圍為-100+325 目 ο
[0013]在鋁合金部件上制備熔覆層的工藝步驟如下:
[0014]1、制備混合粉末
[0015](I)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:6-13.9wt.% ;A1-T1-N1-Y-S1-La203合金粉:余量。
[0016](2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為130-150°C，干燥時間為3_4小時；
[0017](3)利用混料機進行混料，混料時間5-7小時后，得到混合粉末。
[0018]2、制備熔覆層
[0019]本發明的技術可用于在厚度多2_的鋁合金部件(如平板類、圓管類及葉片類部件)表面制備熔覆層。
[0020]制備恪覆層的工藝步驟為:
[0021](I)利用機械拋光方法對鋁合金部件的待熔覆表面進行去污、除銹處理。
[0022](2)配制預敷層漿料。在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，利用攪拌機攪拌固液混合物后形成預敷層漿料，各組分比例為:PVB膠:4-7wt.% ;高純酒精(純度99.5% ):40-60wt.% ;混合粉末:余量。將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置于行星式漿料攪拌機內，攪拌10-20分鐘，形成預敷層漿料。
[0023](3)用毛刷將(2)中漿料涂覆于鋁合金部件表面，預敷層厚度約為400-1600 μ m。
[0024](4)將具有預敷層鋁合金部件在高溫爐中干燥，干燥溫度120_150°C，干燥時間為30-50分鐘ο
[0025](5)將干燥后的鋁合金部件安裝在熔覆工作臺上，利用半導體光纖耦合輸出激光器制備熔覆層。為防止碳粉與合金粉末在熔覆過程中被氧化，激光熔覆時需在熔覆區域施加氬氣保護。
[0026]激光熔覆為已有成熟技術，制備熔覆層的設備主要由半導體光纖耦合輸出激光器和熔覆工作臺等部分組成。熔覆時激光器輸出功率在1.2-2kW范圍。熔覆時可采用激光頭固定不動，數控設備驅動鋁合金部件作直線、步進或旋轉運動的方法，實現對預敷層的搭接熔覆。
[0027]激光熔覆預敷層后，所得熔覆層的平均厚度為200-800 μ m。重復步驟(3)-(5) 1-4次，可得到平均厚度為400-4000 μ m的熔覆層。