一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法与流程

本发明涉及材料表面处理和强化技术领域，尤其涉及一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法；通过该方法在铝合金的表面形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的合金化层。

背景技术：
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的材料之一，铝合金具有密度小、易加工、热膨胀系数低、热导率高、比刚度和比强度高等诸多优异性能。在日常生产和生活以及航空、汽车、高铁、发动机活塞、光学仪器、导弹镶嵌结构等领域取得了广泛应用。但随着工业生产的进一步发展，对铝合金的表面性能提出了更高的要求，耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性显得尤为重要。目前，在铝合金表面制备耐磨涂层的方法通常是在铝合金表面喷涂一层粘结底层，再喷涂氧化物陶瓷工作层，制备出Ni/Al-Al2O3、NiCrAl-Al2O3、Ni-Al2O3等复合涂层，但是这种方法制备出来的涂层结合强度低，并且表面容易形成氧化膜。如李福泉等（授权公告号：CN100549233C）通过电弧辅助激光熔注陶瓷颗粒增强铝或铝合金表面。郭志猛等在“一种铝合金表面涂敷耐磨涂层的方法”（授权公告号：CN100408724C）中通过在反应原料中加入过量的铝，利用自蔓延反应放出的热量使表面的铝表面的氧化膜熔解，在离心力的作用下将氧化物分离。该方法只适合管类构件的内表面获得耐磨涂层，并且因铝合金的导热作用，难以使铁铝金属间化合物与铝基体良好结合。强流脉冲电子束(HCPEB)是近年来发展起来的一种新型高效表面处理技术，是以加速电子为能量载体的新型高能密度荷电粒子束流。强流脉冲电子束比脉冲离子束易于引出和控制，装置简单可靠。强流脉冲电子束照射金属材料时不存在脉冲激光束的能量反射问题，能量吸收率受材料成份和表面形态的影响小。强流脉冲电子束比是在真空环境中完成，可有效抑制材料的高温氧化和污染等问题。如“超高强度铝合金表面合金化的处理方法”（授权公告号：CN102691040A），但是电子束表面处理得到的表面改性层太薄，对于工作在剧烈摩擦环境的铝合金零件表面不能起到足够的保护。孙荣禄等（授权公告号：CN100491593C）发明了一种高能密度激光重熔表面熔覆SiC/Al-Si粉末的铝合金表面强化方法，在铝合金基体上获得表面质量良好、高耐磨和高硬度的强化涂层。但是采用陶瓷粉末来提高铝合金的耐磨性，不能从本质上解决高熔点陶瓷层带来的结合界面裂纹和开裂的问题。

技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法，表面涂层具有硬度高、耐磨性和抗氧化性好、冶金结合力强等优点。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法，其特征在于：包括如下步骤：1）分别称取Cr、Ti、Si、Ni和Al粉末，其中，Cr、Ti、Si、Ni和Al的摩尔百分比为：Cr：20—30%，Ti：20—30%，Si：20—30%，Ni：20—30%，Al：0—3%；2）将1）中称取好的粉末放入球磨机中混合2—5小时；3）配置浓度为4%的聚乙烯醇溶液，并水浴加热，使其聚乙烯醇完全溶化；4）用金相砂纸将铝合金板表面的氧化膜打磨掉，并用丙酮清洗干净；5）将2）混合好的粉末用3）配置的聚乙烯醇溶液调和成粘稠状，将其预涂覆在经4）处理后的铝合金板上形成预制涂层，该预制涂层厚度为0.3-0.6mm，然后干燥2-5小时；6）用激光器对铝合金板上的预制涂层进行辐照，并采用高纯氩气保护。进一步地，步骤6）中，激光焦斑的离焦量为3-5mm，脉冲宽度为5-10ms,激光峰值功率为6-8kw，频率5-13HZ，扫描速度为2-6mm/s。进一步地，所述激光器采用是UW-600A型YAG激光器。进一步地，步骤1）中，采用电子天平FA2004N进行各种粉末的称取。与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.通过本方法能够在铝合金基材的表面形成一层硬度高、耐磨性好的Al-Cr-Ti-Si-Ni合金化层，且合金化层与铝合金基材有良好的结合力，抗氧化能力更强。2.能够有效提高铝合金表面强度，提高铝合金表面耐磨性和耐蚀性。附图说明图1为实施例1得到的涂层的示意图。图2为实施例1得到涂层的X射线衍射图谱。具体实施方式下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法，包括如下步骤：1）分别称取Cr、Ti、Si、Ni和Al粉末，其中，Cr、Ti、Si、Ni和Al的摩尔百分比为：Cr：20—30%，Ti：20—30%，Si：20—30%，Ni：20—30%，Al：0—3%；称取过程中，采用电子天平FA2004N进行各种粉末的称取，精确度高，称取更加准确。2）将1）中称取好的粉末放入球磨机中混合2—5小时。3）配置浓度为4%的聚乙烯醇溶液，并水浴加热，使聚乙烯醇完全溶化。4）用金相砂纸将铝合金板表面的氧化膜打磨掉，并用丙酮清洗干净。5）将2）混合好的粉末用3）配置的聚乙烯醇溶液调和成粘稠状，将其预涂覆在经4）处理后的铝合金板上形成预制涂层，该预制涂层厚度为0.3—0.6mm，然后干燥2—5小时。6）用激光器对铝合金板上的预制涂层进行辐照，并采用高纯氩气保护；操作时，从侧向吹氩气，以防止氧化。因为铝合金对YAG激光吸收率高；因此，所述激光器采用UW-600A型YAG激光器，具体工艺参数为：激光焦斑的离焦量为3-5mm，脉冲宽度为5-10ms,激光峰值功率为6-8kw，频率5-13HZ，扫描速度为2-6mm/s。由5种或5种以上合金元素按等摩尔比或近等摩尔比配制形成高熵合金，多主元高熵合金借助其特有的高熵效应，缓慢扩散效应，纳米相强化及超高晶格畸变等特点，有利于保持合金的高韧性，并可以赋予材料高的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能。本发明采用Cr、Ti、Si、Ni和Al进行配比、制作涂层材料，在保证其达到需求的情况下，更好地节约材料成本；并且该涂层材料与铝合金基体材料之间热物理性能差异更小，因而可直接用于激光熔覆并得到缺陷较少的涂层，可以实现在低成本金属材料表面涂覆上高性能的高熵合金涂层，这将具有良好的应用前景。具体实施例如下：实施例1：参见图1，图2，用电子天平FA2004N称取Cr、Ti、Si、Ni和Al粉末，摩尔比为：24%的Cr，27.5%的Ti，22%的Si，26%的Ni，0.5%的Al，并将将称好的粉末放在球磨机中充分混合均匀，混合时间为2-5小时。再配置4%的聚乙烯醇作为粘接剂，将其水浴加热10分钟左右，使其完全溶化。将铝板用金相砂纸打磨掉表面的氧化膜，并用丙酮清洗干净。将混好的粉末用配好的粘接剂调和成粘稠状，将其预涂覆在已经清洗的铝板上，涂覆厚度为0.5mm，干燥3小时左右。采用的是UW-600A型YAG激光器对铝合金上的预制涂层进行辐照，采用高纯氩气保护。激光焦斑的离焦量为3mm,脉冲宽度为6ms,激光峰值功率为8kw，频率8HZ，扫描速度为5mm/s。将得到涂层用线切割切下，做X射线衍射，得到如图2所示的衍射图谱，结合能谱分析和热力学计算可知涂层主要的合金相为M5Si3型硅化物和BCC相；涂层的平均硬度为HV894；说明表面的性能提高了。实施例2：用电子天平FA2004N称取Cr、Ti、Si、Ni和Al粉末，摩尔比为：21%的Cr，26%的Ti，24%的Si，28%的Ni，1%的Al，并将将称好的粉末放在球磨机中充分混合均匀，混合时间为2-5小时。再配置4%的聚乙烯醇作为粘接剂，将其水浴加热10分钟左右，使其完全溶化。将铝板用金相砂纸打磨掉表面的氧化膜，并用丙酮清洗干净。将混好的粉末用配好的粘接剂调和成粘稠状，将其预涂覆在已经清洗的铝板上，涂覆厚度为0.5mm，干燥3小时左右。采用的是UW-600A型YAG激光器对铝合金上的预制涂层进行辐照，采用高纯氩气保护。激光焦斑的离焦量为3mm,脉冲宽度为6ms,激光峰值功率为8kw，频率8HZ，扫描速度为5mm/s，涂层的平均硬度为HV932；说明表面的性能提高了。最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。