铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于表面工程领域，特别是涉及一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法，在铝合金基体表面反应合成TiCx颗粒增强金属基复合材料熔覆层，利用激光熔覆法在铝合金基体上反应合成TiCx/AlNiYSi熔覆层的粉末材料和制备工艺。
【背景技术】
[0002]铝合金具有密度低、塑性高、抗腐蚀性能好等优点，在航空航天、汽车及其它机械制造、船舶及化学工业中已得到广泛应用。但铝合金具有熔点低(约660°C)、强度较低、硬度低、耐磨性差等缺点，而且难以用常规的热处理方法进行硬化处理，这些缺点限制了其应用范围。
[0003]对于航空航天用铝合金结构，如果在铝合金基体上制备陶瓷颗粒增强的熔覆层，就能在防护结构面密度基本不变的前提下，显著提高铝合金结构的抗高速或超高速撞击的能力。对于火电厂用铝合金风机叶片而言，冲蚀磨损是导致叶片失效的主要原因；需要在叶片表面制备耐磨涂层来延长叶片使用寿命。
[0004]热喷涂技术虽然可用于制备陶瓷颗粒增强涂层，但涂层存在结合强度较低(机械结合、结合强度仅10-40MPa)、孔隙率较高(2-12% )等局限性，难以满足严酷磨损环境下的涂层长寿命工作要求。
[0005]与喷涂、堆焊、等离子熔覆、气相沉积等技术相比，激光熔覆法具有稀释度小、组织致密、熔覆层与基体冶金结合等优点。但在铝合金基体上制备熔覆层，需要重点解决如下技术问题:(1)铝合金熔点低，而一些铝合金部件为薄壁结构；需要严格控制熔覆时铝合金部件的温度场，以预防铝合金部件变形或局部熔化而塌陷损坏。(2)熔覆时需要足够的能量密度击穿铝合金表面致密的氧化铝钝化膜，从而使熔覆层与铝合金基体达到冶金结合。(3)碳化物、硼化物陶瓷的熔点高达2000-3150°C，如采用直接熔覆陶瓷颗粒-金属混合粉末的方法，熔覆层中陶瓷颗粒偏聚、陶瓷相与粘结相界面结合强度低等问题难以避免。(4)铝合金的反射率对激光的波长很敏感，例如铝合金对波长为10.6 ym的CO2激光的反射率很高，在加工过程中激光能量大部分被表面所反射，如何提高铝对激光能量的吸收率成为激光熔覆过程中的一大难题。虽然可采用化学着色、火焰喷涂和表面粗糙化、涂料等方法增加吸收率，但效果不明显。(5)熔覆层易形成气孔。熔覆层内的气孔主要是由于熔化过程中产生的气体在快速凝固过程中来不及逸出而形成的。采用预敷法时，如粘结剂选用不当，也会在熔化中产生气体。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种铝合金表面合成陶瓷颗粒增强熔覆层的粉末材料及方法，利用高功率半导体光纤耦合输出激光器在铝合金基体表面原位合成TiCx (X表示C与Ti的原子比)陶瓷颗粒增强的TiCx/AlNiYSi熔覆层的粉末材料及其制备工艺。利用激光束熔覆本发明所述粉末材料，形成TiCx/AlNiYSi复合材料熔覆层。熔覆层与基体结合界面Al含量梯度变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成脆性相，从而使熔覆层与基体结合强度高。所用高功率半导体光纤耦合输出激光器的激光波长为980nm，在相同的熔覆功率下，其熔覆效率约为0)2激光器的13倍。通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度在400-4000 μ m范围。
[0007]本发明所述熔覆层的粉末原料的各组份重量百分含量如下:
[0008]石墨C粉(粒度-200+400目，纯度多99.5 %，其中，-200+400目表示粉末粒度在 400 目至 200 目范围，):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合金粉末的成分为:T1:30-65wt.% ；Ni:5-10wt.% ；Y:3-5wt.% ；S1: 0.8-3wt.% ；La2O3:0.5-lwt.% ；A1:余量。
[0009]为保证激光熔覆后熔覆层中所形成TiCx相的X在0.7-1范围。混合粉末中T1、C重量比在2.8-4范围。
[0010]粉末原料中各组分作用如下:
[0011]在激光束作用下，Al-T1-N1-Y-S1-La2O3合金粉末达到熔点以上温度，Ti与C在高温下发生放热反应生成高硬度的TiCx相，Al、N1、Y、Si反应形成AlNiYSi合金(即熔覆层中的连续相)，La2O3作为掺杂相弥散分布在熔覆层中。通过Ni对Al的固溶强化作用和较高硬度的Al-Si化合物的形成，使熔覆层中连续相的高温强度和耐磨性显著提高，从而显著提高熔覆层的整体高温性能和耐磨性。Y的作用是提高铝合金基体与熔覆层结合界面的结合强度与韧性。Si的加入可提高熔覆层致密度，减少气孔的形成。La2O3的作用是细化晶粒，La2O3能弱化TiCx颗粒生长的方向性，可阻止粗大TiCx树枝晶的生长，从而达到细化陶瓷相及合金连续相晶粒尺寸的目的。
[0012]为了使粉末具有较好的球形度，本发明采用气雾化法制备Al-T1-N1-Y-S1-La2O3合金粉末，并利用筛分法对粉末进行粒度筛分，筛分后用于激光熔覆的粒度范围为-100+325 目 ο
[0013]在铝合金部件上制备熔覆层的工艺步骤如下:
[0014]1、制备混合粉末
[0015](I)按粉末原料的各组份重量百分含量称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)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为130-150°C，干燥时间为3_4小时；
[0017](3)利用混料机进行混料，混料时间5-7小时后，得到混合粉末。
[0018]2、制备熔覆层
[0019]本发明的技术可用于在厚度多2_的铝合金部件(如平板类、圆管类及叶片类部件)表面制备熔覆层。
[0020]制备恪覆层的工艺步骤为:
[0021](I)利用机械抛光方法对铝合金部件的待熔覆表面进行去污、除锈处理。
[0022](2)配制预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，利用搅拌机搅拌固液混合物后形成预敷层浆料，各组分比例为:PVB胶:4-7wt.% ;高纯酒精(纯度99.5% ):40-60wt.% ;混合粉末:余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于行星式浆料搅拌机内，搅拌10-20分钟，形成预敷层浆料。
[0023](3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于铝合金部件表面，预敷层厚度约为400-1600 μ m。
[0024](4)将具有预敷层铝合金部件在高温炉中干燥，干燥温度120_150°C，干燥时间为30-50分钟ο
[0025](5)将干燥后的铝合金部件安装在熔覆工作台上，利用半导体光纤耦合输出激光器制备熔覆层。为防止碳粉与合金粉末在熔覆过程中被氧化，激光熔覆时需在熔覆区域施加氩气保护。
[0026]激光熔覆为已有成熟技术，制备熔覆层的设备主要由半导体光纤耦合输出激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时激光器输出功率在1.2-2kW范围。熔覆时可采用激光头固定不动，数控设备驱动铝合金部件作直线、步进或旋转运动的方法，实现对预敷层的搭接熔覆。
[0027]激光熔覆预敷层后，所得熔覆层的平均厚度为200-800 μ m。重复步骤(3)-(5) 1-4次，可得到平均厚度为400-4000 μ m的熔覆层。