一种在纯铝及合金铸件表面制备耐磨涂层的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属基复合材料制备技术领域，特别涉及一种在纯铝及合金铸件表面制备耐磨涂层的特殊工艺。
技术背景
[0002]纯铝及其合金以轻质、高比热和导热等特性广泛应用于航空、航天及交通运输等多个部门，但其硬度低、耐磨损性能差又限制了其应用范围，对于耐高温、抗疲劳及耐高温气流冲刷的需要无法满足。
[0003]自蔓延高温合成法是利用外部提供必要的能量诱发热化学反应，形成燃烧波，此后的反应就可在之前反应的热量支持下继续进行，反应蔓延结束后形成所需的材料。TiC具有优异物理化学性能，如高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊性能，是优良的耐磨涂层增强体材料，也是自蔓延形成的典型材料。
[0004]真空消失模铸造是利用浇铸过程金属液取代沙箱中的塑料泡沫位置实现特定形状铸件的特种铸造手段，具有生产成本低，生产效率高等优势。
[0005]通过近十年的文献与专利检索，利用自蔓延技术与消失模铸造工艺制备强化涂层主要集中于钢基材料，对于铝基材料并无涉及；中国专利CN201110221898.1公开了一种在铸钢件表面生成碳化钨基硬质合金涂层的方法，中国专利CN201110222010.6公开了一种在铸钢件表面生成碳化钛基硬质合金涂层的方法，上述专利主体均为铸钢件；在钢基材料的制备过程中，由于熔点与浇铸温度较高(1500-1600? )，与材料表面预置粉末自蔓延反应的放热温度(大于1530°C )温差较小，对于涂层质量影响不大，制备工艺较易实现；而铝基材料熔点与浇铸温度较低(700-800°C )，与材料表面自蔓延反应放热量相比温差过大，极易引起涂层部分粘结相的汽化，造成涂层质量过差，因此无法直接应用于铝基材料表面耐磨涂层的制备。
[0006]本发明提出的一种在纯铝及合金表面制备自蔓延耐磨涂层的特殊工艺，通过对自蔓延体系的选取、自蔓延反应的过程控制(点燃时机控制与放热量控制)，耐磨涂层粘结相的强化，可实现铝基材料表面自蔓延耐磨涂层的制备。即，选取TiC体系，添加30% -40%的金属粉末，可使反应放热控制在临界值1530°C左右；通过预先点燃自蔓延反应，在真空条件下温度下降较快，通过预先将沙箱内塑料泡沫烧尽，最大限度减少金属液体热量损失，二者结合使得金属液体温度与自蔓延反应放热量温差降低；通过反应热量与浇铸热量，实现金属液体向涂层部分的渗透，实现冶金结合与涂层部分的致密化，同时金属粉末溶解于金属液体，冷却后起到强化涂层部分粘结相的作用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种在纯铝及合金表面制备自蔓延耐磨涂层的特殊工艺。此法的特点是操作简单、生产效率高、强化层性能优异。
[0008]本发明的原理是:利用外部热源引燃自蔓延反应原位生成陶瓷颗粒，通过添加金属粉末控制反应释放热量并实现耐磨涂层粘结相的强化，利用反应放热与浇铸金属液体的热量实现强化层与基体材料的冶金结合，并实现耐磨涂层材料的致密化过程，最终实现铝基体材料与耐磨涂层的同步制备。
[0009]本发明的具体步骤如下:
[0010]I)塑料泡沫制备:按照图纸尺寸要求，利用满足形状的模具在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯塑料泡沫；
[0011]2)涂层合金粉制备:按照自蔓延反应Ti+C = TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，并加入总质量百分数30% -40%的调控粉末，然后按照球料比2:1混合1-24小时制成混合粉末；
[0012]3)涂层膏体制备:将混合均匀后的粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合并调制成膏状，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1:50-1:100，并将钨线圈埋入膏状体中；
[0013]4)涂层膏状体涂覆与干燥:将带有钨线圈的膏状体涂覆于聚苯乙烯塑料泡沫模具的表面，保证膏状体表面的光洁平整，钨线圈延伸与外置点火装置相连，在30-50°C干燥1-10小时，得到干燥后涂覆有带有钨线圈的膏状体聚苯乙烯塑料泡沫模具；
[0014]5)整体挂涂料与埋砂:在步骤4)得到的干燥后涂覆有带有钨线圈的膏状体聚苯乙烯塑料泡沫模具的膏状体与塑料泡沫模具结合处，插入钨铼热电偶W_Re5，延伸与测温设备相连，整体涂挂耐火防粘砂涂料，在40-50°C烘干4-20小时后埋入砂箱，真空度0.05MPa下将砂箱内塑料泡沫烧尽；
[0015]6)合金熔炼与浇铸:在中频感应电炉中熔炼铝液，除渣除气后进行浇铸，观察测温设备示数，当温度出现变化的同时(即熔液刚刚接触膏状体表面时)，使用点火装置引发自蔓延反应，形成陶瓷硬质相；
[0016]7)卸真空冷却:铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成TiC耐磨涂层的铝铸件材料。
[0017]其中熔炼对象为纯铝及其合金；铸造工艺为真空消失模铸造，真空度为0.05MPa ；所用的粉末粒度为1-50 μπι;自制金属粉末组分质量配比为Cu:0-10 %，Mg:0-5%, Si:0-5%,T1:0-5%,Zn:0-10%，其余为Al ;陶瓷硬质相为TiC ;铸件表面涂层厚度为l-lOmm。
[0018]本发明的优点在于:
[0019]I)打破了表面强化层材料与基体材料分开制备的局限性，在强化层厚度、强化层与基体结合强度等方面性能得到进一步提升；
[0020]2)克服了由于铝基材料熔点较低而不能利用自蔓延反应制备耐磨涂层的局限性；
[0021]3)利用自蔓延反应制备强化层，结合界面洁净，保证强化层具有较高的力学与物理性能，在服役过程中表现出良好的耐磨性；
[0022]4)原料来源广泛，真空消失模铸造的引入进一步降低了成本，提高了生产效率，适于工业化批量生产。
【具体实施方式】
[0023]实施例1:
[0024](I)按照图纸尺寸要求，利用满足形状的模具在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯塑料泡沫；
[0025](2)按重量配比称取粒度1_50μπι的Ti粉56%，l-50ym的C粉14%，自制金属粉末(Cu5%，21110%，112%，1%2%其余为六1)30%在球磨机中混料8小时；
[0026](3)将混合均匀后的粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合并调制成膏状，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1:70，并将钨线圈埋入膏状体中；
[0027](4)将带有钨线圈的膏状体涂覆于在聚苯乙烯塑料泡沫模具的表面，厚度为6_，钨线圈延伸与外置点火装置相连，40°C干燥5小时，得到的干燥后涂覆有带有钨线圈的膏状体聚苯乙烯塑料泡沫模具；
[0028](5)在步骤(4)