專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，屬于表面材料 制備及表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁及鋁合金具有塑性和成型性好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，用量?jī)H次于 鋼鐵材料。但鋁及鋁合金硬度低、耐磨性差，應(yīng)用范圍受到限制，因此一直在研究有效的強(qiáng) 化方法。例如，以AlN和TiC粒子作為增強(qiáng)相制備成性能優(yōu)異的整體鋁基復(fù)合材料(崔春 翔，吳人潔.原位AlN-TiC粒子增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料.金屬學(xué)報(bào)，1996，32(1) :101_104)。除了 整體強(qiáng)化鋁及鋁合金之外，在鋁基體表面形成鋁氮化物(AlN)層可以顯著提高表面硬度， 改善耐磨性。表面氮化方法有反應(yīng)濺射、化學(xué)氣相沉積、離子注入和等離子體滲氮等(胡 平，蒙繼龍.鋁及鋁合金的等離子體滲氮研究進(jìn)展.金屬熱處理，2000年，第4期1-4)。但 是，由于鋁的特殊性質(zhì)及工藝的限制，得到的氮化層厚度都偏小，一般都只有幾個(gè)微米，效 果較好的微波等離子體滲氮和射頻等離子體滲氮的氮化層厚度也小于20 μ m。近年來(lái)，鋁合金表面陶瓷化技術(shù)倍受關(guān)注，采用溶膠-凝膠、陽(yáng)極氧化、等離子微 弧氧化等方法，制備出既有鋁合金基體金屬?gòu)?qiáng)度和韌性，又有陶瓷膜層耐高溫、耐磨損、耐 腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料。例如，采用溶膠-凝膠法在鋁合金表面制備了 0. 25μm厚的Si02膜 層，可以提高鋁合金的耐蝕性。陽(yáng)極氧化處理后在鋁合金表面形成致密的Al2O3薄膜，厚度 可達(dá)35 μ m 40 μ m，等離子微弧氧化方法可以制備出200 300 μ m的Al2O3陶瓷膜層(滕 敏，李垚，赫曉東.鋁合金材料表面改性研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2004年，第3期12-17)。采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行鋁合金表面改性處理可以獲得較厚的表面熔覆層和梯度 層。激光熔覆處理使用Ni基、Cu基、Co基、Fe基等粉末類(lèi)型，例如，用Ni基Ni_4% Al粉以 及加入TiC的Ni-Al粉，在鑄造Al-Si合金上進(jìn)行激光熔覆，可以獲得厚度為Imm熔覆層，硬 度達(dá)到800HV，熔覆層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是Al3Ni和Al3Ni2枝晶，TiC未熔化呈隨機(jī)分布。用Cu基粉 末激光熔覆于3003鋁合金上，可以獲得無(wú)裂紋、冶金結(jié)合良好的熔覆層，其厚度在1. 2mm 2. 5mm之間，硬度為335HV(滕敏，李垚，赫曉東.鋁合金材料表面改性研究進(jìn)展.宇航材料 工藝，2004年，第3期12-17)。為了提高鋁合金的表面性能，獲得較大厚度表面層，上海交 通大學(xué)采用激光熔覆方法用5kW的CO2激光器對(duì)鑄造鋁硅合金表面進(jìn)行兩次激光輻照，先 后將不同成分的預(yù)置合金粉末和基體材料一起熔化后迅速凝固，可以獲得Cr/WC及Ni/WC 激光表面梯度層(趙濤，陳秋龍，蔡珣，錢(qián)紅斌.鋁硅合金表面激光Cr/WC梯度層組織及抗 微動(dòng)磨損性能研究·金屬熱處理，2001年，第3期=30-32,45)。綜上可見(jiàn)，制備整體鋁基復(fù)合材料或者在鋁基體表面制備氮化物(如AlN)及氧化 物(如Si02、Al2O3)膜層，以及制備不同成分的厚度較大的激光表面梯度層，是提高鋁及鋁 合金性能的有效途徑。由于復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合形成的新型材料， 一般由基體組元與增強(qiáng)體或功能組元所組成。而金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)體形式分類(lèi)，如顆粒增強(qiáng)、短纖維與晶須增強(qiáng)以及連續(xù)纖維增強(qiáng)等。在該領(lǐng)域，鋁基復(fù)合材料較成熟的是碳化 硅和氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。按照梯度材料“是指一類(lèi)組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度 或長(zhǎng)度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料”的概念，在鋁及鋁合金基體表面制備的 表面層，有可能同時(shí)具有梯度材料和復(fù)合材料的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
鋁及鋁合金是應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)材料，但硬度低、耐磨性差，應(yīng)用范圍受到很大 限制。本發(fā)明的目的是提供一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，在鋁及 鋁合金表面制備厚度較大的、氮化鋁增強(qiáng)的、同時(shí)具有梯度和復(fù)合材料性質(zhì)的表面層，提高 鋁及鋁合金的硬度和耐磨性。本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層制備原理是，采用氮電 弧直接作用于鋁合金基體，使其表面局部熔化，電弧氣氛中的N元素(N的離子、原子和分 子)溶解進(jìn)入高溫熔池，Al與N元素發(fā)生氮化反應(yīng)A1+N — AlN,原位生成的AlN作為增強(qiáng) 相與鋁合金基體組成表面強(qiáng)化層。由于表面層底部形成的AlN枝晶較多，N含量較高；在AlN枝晶間及表面層上部形 成了 AlN與Al固溶體層狀分布的疊層復(fù)合材料，N含量較低；因此，可以認(rèn)為是氮化鋁增強(qiáng) 梯度材料和復(fù)合材料表面層。主要工藝及分析步驟如下1)對(duì)鋁合金基體需處理的部位進(jìn)行表面清理，如用丙酮等溶劑去除油污。2)使用氬弧焊接設(shè)備通入氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w，焊槍固定在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上， 在鎢極和鋁合金基體之間引燃電弧，調(diào)節(jié)電弧電流為90-110A，以合適的行走速度對(duì)鋁合金 基體進(jìn)行表面氮化處理。3)控制每道間的搭接量約為30%，使表面氮化層較平整。4)金相分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)純Al和Al-Si合金進(jìn)行氮電弧表面氮化處理后，可以獲得厚 度為0. 13-0. 3mm的AlN增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料表面層。表面層底部形成的AlN增強(qiáng)相數(shù) 量較多，呈枝晶狀(見(jiàn)圖la)；在AlN枝晶間和表面層上部形成了 AlN與Al固溶體層狀分 布的疊層復(fù)合材料(見(jiàn)圖lb)。從圖1微觀(guān)組織形貌與N元素的分布可以看出，AlN枝晶和 層狀A(yù)lN位置的N含量明顯高于純鋁基體及Al固溶體。5)表面層硬度和耐磨性比基體有明顯提高。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步本發(fā)明采用工藝簡(jiǎn)便的氮電弧熔化鋁合金基體，使熔池中的Al與N元素發(fā)生氮 化反應(yīng)Al+N —A1N，獲得“A1N增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層”。這種表面層與反應(yīng)濺射、化 學(xué)氣相沉積、離子注入和等離子體滲氮等方法制備的薄表面氮化(AlN)層相比，厚度較大 (0. 13-0. 3mm)，具有表面梯度復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最高顯微硬度可以達(dá)到720HV (純 鋁基體)或1086HV (鋁硅基體)，耐磨性比基體提高5倍以上。等離子微弧氧化等鋁合金表面陶瓷化技術(shù)也可以獲得較厚的表面層，但均為各種 氧化物陶瓷膜層，而且微觀(guān)結(jié)構(gòu)不相同。鋁合金激光熔覆表面改性處理可以獲得較厚的表 面熔覆層和梯度層，但其表面層為M基、Cu基、Co基或Fe基材料，以金屬間化合物及碳化
4物為強(qiáng)化相，微觀(guān)結(jié)構(gòu)也不相同。


圖1純鋁基體AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層典型組織及N元素分布；(a)底部 AlN 枝晶，(b)AlN與Al的固溶體層狀分布組織。圖2純鋁基體AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層微觀(guān)結(jié)構(gòu)，電弧氮化條件75%氮?dú)夂?5%氬氣，電弧電流110A，行走速度2. 5mm/s。圖3純鋁基體AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層微觀(guān)結(jié)構(gòu)，電弧氮化條件50%氮?dú)夂?0%氬氣，電弧電流110A，行走速度2. 5mm/s。圖4鋁硅合金基體AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層微觀(guān)結(jié)構(gòu)，(a)表面層低倍形貌，(b)層狀分布組織高倍形貌，電弧氮化條件100%氮?dú)猓娀‰娏?10A，行走速度2. 5mm/s。
具體實(shí)施例方式1、純鋁基體表面氮化例一a)純鋁試板規(guī)格100X50X5mm，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。b)使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar的混合比例為75 %氮?dú)夂?5 %氬氣。c)將氬弧焊槍固定在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上，在鎢極和鋁基體之間引燃電弧，調(diào)節(jié)電弧 電流為110A，行走速度為2. 5mm/s，進(jìn)行純鋁基體表面氮化處理。d)控制每道間的搭接量約為30%，使表面氮化層組織性能均勻，表面較平整。e)金相分析發(fā)現(xiàn)，表面層底部形成的AlN增強(qiáng)相數(shù)量較多，呈枝晶狀；在AlN枝 晶間和表面層上部形成了 AlN與Al固溶體層狀分布的復(fù)合材料(見(jiàn)圖2)。表面層厚度為 0. 19-0. 3mm,底部N含量高而上部N含量低，所以，表面層為AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料。f)測(cè)定顯微硬度分布可知，純鋁基體硬度低于50HV，AlN枝晶區(qū)域最高硬度為 720HV，AlN與Al固溶體層狀組織區(qū)域的硬度為100-200HV。g)采用銷(xiāo)盤(pán)式磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)純鋁基體和AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層試樣進(jìn)行 對(duì)比試驗(yàn)，純鋁基體磨損量為85. 4mg，表面層磨損量為11. 8mg，表面層比純鋁基體的耐磨 性提高6倍以上。2、純鋁基體表面氮化例二a)純鋁試板規(guī)格100X50X5mm，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。 b)使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar的混合比例為50 %氮?dú)夂?0 %氬氣。c)將氬弧焊槍固定在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上，在鎢極和鋁基體之間引燃電弧，調(diào)節(jié)電弧 電流為110A，行走速度為2. 5mm/s，進(jìn)行純鋁基體表面氮化處理。d)控制每道間的搭接量約為30%，使表面氮化層組織性能均勻，表面較平整。e)金相分析發(fā)現(xiàn)，表面層底部形成的AlN增強(qiáng)相呈枝晶狀，但生長(zhǎng)的發(fā)達(dá)程度和所占比例沒(méi)有實(shí)施例1)中多；在AlN枝晶間和表面層上部形成了 AlN與Al固溶體層狀分 布的復(fù)合材料(見(jiàn)圖3)。表面層厚度為0. 13-0. 2mm。f)測(cè)定顯微硬度分布可知，表面層的最高硬度為330HV。g)采用銷(xiāo)盤(pán)式磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)純鋁基體和AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層試樣進(jìn)行 對(duì)比試驗(yàn)，純鋁基體磨損量為85. 4mg，表面層磨損量為25. 2mg，表面層比純鋁基體的耐磨 性提高2倍以上。3、鋁硅合金表面氮化例一a)鋁硅合金試板規(guī)格為100X50X 10mm，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。b)使用100%氮?dú)庾鳛殡娀夥?。c)將氬弧焊槍固定在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上，在鎢極和鋁硅合金基體之間引燃電弧，調(diào) 節(jié)電弧電流為110A，行走速度為2. 5mm/s，進(jìn)行表面氮化處理。d)控制每道間的搭接量約為30%，使表面較平整。e)金相分析發(fā)現(xiàn)，表面層由AlN枝晶和層狀A(yù)lN與層狀A(yù)l固溶體構(gòu)成的復(fù)合材料 組成(見(jiàn)圖4)。表面層厚度為0. 2-0. 3mm。f)測(cè)定顯微硬度分布可知，表面層的最高硬度為1086HV。g)采用銷(xiāo)盤(pán)式磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)Al-Si合金基體和AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層試樣 進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，Al-Si合金基體的磨損量為70. 4mg，表面層磨損量為11. 3mg，表面層比鋁硅 合金基體的耐磨性提高5倍以上。4、鋁硅合金表面氮化例二a)鋁硅合金試板規(guī)格為100X50X 10mm，將表面用脫脂棉蘸丙酮擦拭去油。b)使用22MX-1型氣體混合配比器控制N2與Ar的混合比例為75 %氮?dú)夂?5 %氬氣。c)將氬弧焊槍固定在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上，在鎢極和鋁硅合金基體之間引燃電弧，調(diào) 節(jié)電弧電流為90A，行走速度為2. 5mm/s，進(jìn)行表面氮化處理。d)控制每道間的搭接量約為30%，使表面較平整。e)金相分析發(fā)現(xiàn)，表面層由AlN枝晶和層狀A(yù)lN與層狀A(yù)l固溶體構(gòu)成的復(fù)合材料 組成，表面層厚度為0. 15-0. 2mm。f)測(cè)定顯微硬度分布可知，表面層的最高硬度為695HV。g)采用銷(xiāo)盤(pán)式磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁硅合金基體和AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層試樣 進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，Al-Si合金基體的磨損量為70. 4mg，表面層磨損量為20. 6mg，表面層比鋁硅 合金基體的耐磨性提高2倍以上。
權(quán)利要求
一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，其特征在于，所述的表面層底部AlN枝晶較多，N含量較高；在AlN枝晶間及表面層上部為AlN與Al固溶體層狀分布的疊層復(fù)合材料，N含量較低；表面層具有梯度材料和復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種鋁基氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，厚度為0.13-0.3mm，純鋁基體的最高顯微硬度為720HV或鋁硅基體的最高顯微硬度為1086HV。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層。采用工藝簡(jiǎn)便的氮電弧熔化鋁及鋁合金基體，使熔池中的Al與N元素發(fā)生氮化反應(yīng)Al+N→AlN，獲得“AlN增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層”。這種表面層與反應(yīng)濺射、化學(xué)氣相沉積、離子注入和等離子體滲氮等方法制備的薄表面氮化(AlN)層相比，厚度較大(0.13-0.3mm)，具有表面梯度復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，顯微硬度及耐磨性比鋁及鋁合金基體有明顯提高。
文檔編號(hào)C23C8/36GK101880854SQ20101018402
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者任振安, 劉青磊, 朱立紅, 李欣, 王亞男, 譚向虎, 鄭孝義, 黃天平 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)