铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的A1₂O₃+TiB₂复合涂层及其制备方法

专利名称：铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的A1₂O₃+TiB₂复合涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的Al203+TiB2复合涂 层及其制备方法，属于材料工程技术领域。
背景技术：
铝合金是世界上用量最大的有色金属材料，它广泛应用于航空、航天和动力机 械中。但是，铝合金的硬度很低，耐磨性能很差，应用范围受到很大的限制。例如，将 发动机由原来的铸铁材料换成铝合金后，由于铝合金耐磨性差，将使发动机汽缸内壁与 活塞接触的部分产生严重磨损，大大减少发动机的使用寿命。此外，同步器齿环、活塞 环等要求耐磨的零部件，采用铝合金制造也达不到耐磨性的要求。
搅拌摩擦加工技术是一种新型制备金属基复合材料的技术，它是利用搅拌头造 成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织细化、均勻化和致密 化。搅拌摩擦加工过程就是将基体固定在刚性垫板上，通过对板材开槽的方式，将增强 材料预置于基体材料中。搅拌头高速旋转，在向下的压力作用下，搅拌头探针钻入工件 表面，轴肩紧密接触工件表面，直至压入材料表面以下一定深度。高速旋转的搅拌头， 通过库仑摩擦和剪切摩擦产生大量的热量，使其附近的金属温度迅速升高，形成熔融状 态，并产生材料大范围的迅速迁移。搅拌头高速旋转的同时，沿着加工方向运动，置入 的增强材料被熔融的基体材料覆盖、包裹，并被切割成很多个小体积的单元，这些单元 随搅拌摩擦加工过程不断运动，最终停留在搅拌头加工过的区域内，完成固相加工过程 下复合材料的制备。
利用搅拌摩擦加工技术制备金属基复合材料，与其他制备方法相比具有独特的 优势(1)其固相加工过程可以明显降低金属(尤其是铝合金)孔洞的产生，且组织结构 致密、晶粒可较大限度的被细化；( 在残余变形与残余应力方面，固相焊接过程中较 低的加热温度可使残余变形与残余应力均降底；( 在缺陷方面，可避免凝固裂纹与气 孔。发明内容
本发明的目的之一在于提供一种铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的复 合涂层，具体为在铝合金表面制备Al203+TiB2复合涂层。采用本发明的复合涂层结合强 度高，接合热应力小，具有优异的耐磨性能。
本发明所述铝合金表面制备的Al203+TiB2复合涂层厚度为0.1mm 2mm。
本发明的第二个目的在于提供给一种上述铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应 合成的Al203+TiB2复合涂层的制备方法。
为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究，最终获得了如下方案
铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，包括以下步骤
(a)铝合金表面除油和喷砂处理；
(b)粉料进行球磨，球磨时各粉末的百分比为30% 70%的TiO2粉末、 30% 70%的B2O3粉末，各组分之和为100% ；
(c)在铝合金基体表面开出沟槽；
(d)将步骤(b)的混合粉末填充在开出的沟槽中；
(e)进行搅拌摩擦加工；
(f)对搅拌摩擦加工后的表面进行感应加热。
上述的八1203+1132复合涂层的制备方法，所述球磨时间为1 50小时，球料比 为 10 20 1。
上述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，所述搅拌摩擦加工的搅拌头的直径为 Φ IOmm Φ 30mm,转速为 200rpm 800rpm，移动速度为 10mm/min 100mm/min。
上述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，所述搅拌摩擦加工时在基体上开出的 沟槽，深为0.5mm 2mm，宽为0.5mm 2mm，沟槽间的间隙为0.5mm 1mm。
上述的八1203+11氏复合涂层的制备方法，所述感应加热的工艺参数为加热温 度为650°C 700°C，加热速度为10°C /S 20°C /S。
本发明的铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的Al203+TiB2复合涂层及其 制备方法具有如下有益的技术效果
本发明通过搅拌摩擦加工，使TiO2和B2O3粉末均勻分布在铝合金表面层中。 经过感应加热，产生化学反应3Ti02+3B203+10Al = 3TiB2+5Al2O3,获得Al203+TiB2复 合涂层，涂层和基体间形成冶金结合界面。本发明获得的Al203+TiB2复合涂层硬度> 1200HV,结合强度> 70MPa。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步作描述，但是本发 明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在 本发明的保护范围之内。
实施例1Α1203+Τ Β2复合涂层的制备
基体材料铝合金。
粉末组成的质量百分比为30%的TiO2粉末、70%的B2O3粉末。粉末粒度 10 μ m。
基体表面上所开沟槽的宽度为1mm，深度为1mm，沟槽间的间隙为0.5mm。
搅拌摩擦加工工艺参数搅拌头直径为Φ 10mm，转速为300rpm，移动速度为 20mm/min。
感应加热温度为650°C，加热速度为10°C /S。
实施例2八1203+1^2复合涂层的制备
基体材料铝合金。
粉末组成的质量百分比为40%的TiO2粉末、60%的B2O3粉末。粉末粒度 15 μ m0
基体上沟槽的宽度为1.5mm，深度为1.5mm，沟槽间的间隙为0.7mm。
搅拌摩擦加工工艺参数搅拌头直径为Φ 15mm,转速为500rpm，移动速度为 40mm/min。
感应加热温度为670°C，加热速度为15°C /s。
实施例3八1203+1^2复合涂层的制备
基体材料铝合金。
粉末组成的质量百分比为50%的TiO2粉末、50%的B2O3粉末。粉末粒度 20 μ m。
基体上沟槽的宽度为2mm，深度为2mm，沟槽间的间隙为1mm。
搅拌摩擦加工工艺参数搅拌头直径为Φ 20mm，转速为600rpm，移动速度为 30mm/min。
感应加热温度为700°C，加热速度为20°C/s。
经检测，上述实施例1-3制备的Al203+TiB2复合涂层，其硬度> 1200HV，结合 强度 > 70MPa。
权利要求
1.铝合金表面搅拌摩擦加工及加热反应合成的Al203+TiB2复合涂层。
2.如权利要求1所述的Al203+TiB2复合涂层，其特征在于它的厚度为0.1mm 2mm。
3.权利要求1所述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，包括以下步骤(a)铝合金表面除油和喷砂处理；(b)粉料进行球磨，球磨时各粉末的百分比为30% 70%的TiO2粉末、30% 70%的B2O3粉末，各组分之和为100% ；(C)在铝合金基体表面开出沟槽；(d)将步骤(b)的混合粉末填充在开出的沟槽中；(e)进行搅拌摩擦加工；(f)对搅拌摩擦加工后的表面进行感应加热。
4.根据权利要求3所述的八1203+1132复合涂层的制备方法，其特征在于所述球磨 时间为1 50小时，球料比为10 20 1。
5.根据权利要求3所述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，所述搅拌摩擦加工的搅 拌头的直径为Φ IOmm Φ 30mm,转速为200rpm 800rpm，移动速度为10mm/min lOOmm/min。
6.根据权利要求3所述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，所述搅拌摩擦加工时在基 体上开出的沟槽，深为0.5mm 2mm，宽为0.5mm 2mm，沟槽间的间隙为0.5mm 1mm。
7.根据权利要求3所述的Al203+TiB2复合涂层的制备方法，所述感应加热的工艺参数 为加热温度为650°C 700°C，加热速度为10°C /s 20°C /s。
全文摘要
本发明涉及一种铝合金表面Al2O3+TiB2复合涂层及其制备方法，首先，在铝合金表面开出若干深为0.5mm～2mm，宽为0.5mm～2mm的沟槽，在沟槽中填充球磨好的含30％～70％TiO2、30％～70％B2O3混合粉末，再通过搅拌摩擦加工，使TiO2和B2O3混合粉末均匀分布在铝合金的表面层中，最后对这一表面层进行感应加热，产生化学反应3TiO2+3B2O3+10Al＝3TiB2+5Al2O3，获得Al2O3+TiB2复合涂层，涂层和基体间形成冶金结合界面。本发明获得的Al2O3+TiB2复合涂层硬度＞1200HV，结合强度＞70MPa。
文档编号C23C24/00GK102021557SQ20101057089
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者周小平, 胡心彬 申请人:湖北工业大学