一种铝基涂层及制备方法、采用该涂层制备的铝合金复合材料及制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种铝基涂层及制备方法与采用该涂层制备的铝合金复合材料。

背景技术：

“中国制造2025”提出“要大力发展再制造产业，实施高端再制造、智能再制造、在役再制造”。工业现代化的发展对装备及零部件表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等恶劣环境条件下，零部件材料的表面会发生磨损、腐蚀等，并且逐渐向零件内部发展导致整个零件失效。其中，铝及铝合金具有密度小、强度高和耐腐蚀等优点，目前广泛应用于汽车、高速铁路车辆、航空航天和军事工业。随着科学技术的不断发展和创新，铝合金已经应用到了相关的行业之中，汽车、航天、传播以及食品等行业。因此需要制定抗磨对策、提高装备和零部件的安全寿命，采用高效的表面工程技术实现失效件的表面尺寸及性能的恢复或提升，从而改变当前以尺寸修复法和换件法为主的再制造产业生产模式，提高废旧产品零部件的利用，有很大的社会和经济效益

目前，国内外对铝合金表面改性以提高铝合金表面的硬度、耐磨性进行了大量的研究。常用方法有热喷涂、表面镀覆、表面合金化、高能表面改性等。在铝合金缸孔表面热喷涂涂层取代了传统镶嵌铸缸套的先进工艺，很大程度上减轻了发动机重量、降低了燃油消耗，实现了节能减排；表面镀覆技术是汽车维修的新技术、新工艺，不但提高了工作效率，而且降低了维修成本，改善了车辆的可维修性；表面合金化、高能表面改性等也在很大程度上改善了铝合金表面的硬度及耐磨性，在汽车制造及维修中起到了很大作用。

sarikaya等研究了b4c颗粒的含量对等离子喷涂复合涂层性能的影响，随着颗粒含量的增加复合涂层的硬度随之增大，孔隙率和表面粗糙度降低；丁雨田等采用电镀在zl108铝合金表面制备了ni-sic复合镀层，镀层厚度最厚达80μm，硬度达到504.6hv；郭峰等以tc4为电极材料，在ly12铝合金表面通过电火花沉积制备了钛铝合金强化层，该强化层厚度为30μm，硬度达595hv；李新等采用激光表面合金化技术在铝合金表面制备了ni/wc表面合金化涂层，合金强化层基体间呈冶金结合，强化层深度可达1.2mm，硬度是基材的8倍，耐磨性显著提高。

虽然以上几种方法经研究表明可以在铝合金表面制备复合涂层可以获得较好的耐磨性和较高的硬度。不过还存在几个急需解决的问题，第一，上述方法制备的涂层厚度总体较薄，涂层越薄，使用寿命越短；第二，涂层与基体的界面结合强度决定了涂层的整体使用性能，涂层的耐磨及硬度、界面强度等性能很难实现预置和调控；第三，涂层与基体的空间位置(如曲面、折面、螺旋面、内径、内球面等)很难不受涂层制备方法的限制；最后，铝合金表面制备复合金属涂层存在较高的内应力，进而影响涂层质量及其与基体的连接强度。

因此，为了克服现有技术中存在的不足，研制一种新的表面金属化材料、制备方法及工艺是解决上述问题和工程实际应用问题的关键。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种成分均匀、致密的立体蛛网式铝基涂层；

本发明的第二目的是提供该铝基涂层的制备方法；

本发明的第三目的是提供采用该铝基涂层制备的铝合金复合材料，该铝合金复合材料的耐磨性和硬度提高。

技术方案：本发明的铝基涂层，按质量分数包括如下原料：ni-sic粉30～65％、铝合金粉10～45％、al-si-cu粉25～40％及有机硅树脂粘结剂2～4％。

本发明通过将ni-sic粉、铝合金粉和al-si-cu进行复配，从而制备的铝基涂层不仅成分均匀致密，且涂层中的金属纤维形成了一个纵横交错的立体蛛网式结构，进而能够有效改善铝合金基体表面的耐磨性和硬度，增强了涂层与基体的结合强度。其中，ni-sic粉的添加提高了涂层的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性能；铝合金粉的加入协同ni-sic粉，提高了涂层的流动性、厚度、结构等综合性能。

优选的，本发明的涂层中ni-sic粉20～22％、铝合金粉38～40％、al-si-cu粉35～38％及有机硅树脂粘结剂2～4％。

进一步说，ni-sic粉由10～15目和30～45目的ni-sic粉组合而成，两者的质量比为0.25～0.6:1，采用两种不同目数的ni-sic粉，进而较小的ni-sic颗粒能够填充到较大的ni-sic颗粒与较大的ni-sic颗粒的间隙之中，保证了涂层的致密度。

进一步说，铝基涂层中有机硅树脂粘结剂按质量分数包括如下原料：聚四氟乙烯37～39％、甲基三乙氧基硅烷22～22.5％、氟橡胶8～9％、顺丁烯二酸酐3～5％、丁苯橡胶5～7％、聚醛树脂0.5～1.0％、滑石粉8～10％、丙烯酸酯橡胶6～8％、聚碳酸酯4～6％、羟基聚二甲基硅氧烷1～2％。

本发明采用上述原料复配而成的有机硅树脂粘结剂，从而能够在轧辊的反复碾压作用下呈现出棉絮状，当轧机轧辊碾压时，颗粒受到的正压力对粘结剂产生挤压作用，经多次挤压粘结剂逐渐形成纤维状，成为一种纵横交错的立体蛛网式结构，而ni-sic粉、铝合金粉及al-si-cu粉被镶嵌或包裹在其中，从而分散的粉末材料联结成整体，形成涂层金属布。

本发明制备铝基涂层的方法，包括如下步骤按质量分数将ni-sic粉、铝合金粉及al-si-cu粉混合后，加入有机硅树脂粘结剂混匀，随后多次调整轧棍与工作台间的间隙进行反复轧制，制得铝基涂层。

进一步说，轧制时调整轧棍与工作台间的初始间隙为3～5mm，随后依次调整至2～3.0mm及0.5～2.0mm。每种间隙轧制15～30min。

本发明采用铝基涂层制备的铝合金复合材料，该铝合金复合材料包括铝合金基体及覆盖于基体表面的铝基涂层。

本发明制备铝合金复合材料的方法，包括如下步骤：将铝基涂层紧贴于预处理后的铝合金表面，先在300～350℃条件下保温反应30～40min后，再在450～480℃条件下保温反应20～30min，随后在520～590℃条件下进行真空钎焊反应10～45min，最后冷却至400～450℃，保温10～30min后冷却至室温，即可制得铝合金复合材料。

本发明通过将ni-sic粉、铝合金粉、al-si-cu粉及有机硅树脂粘结剂进行复配制备成铝基涂层，并结合真空钎焊工艺将该涂层复合于铝合金基体材料表面，先升温达到300～350℃，使得有机硅树脂粘结剂分解挥发，继续升温至450～480℃后保温20～30min，使得真空钎焊炉中保持一定的真空度，最后在520～590℃条件下钎焊，在此温度下挥发的mg蒸气还原铝合金表面的al2o3膜而使其产生破坏，钎料al-si-cu粉熔化为液态，液态的钎料在铝合金表面润湿铺展并与母材相互作用，最终冷却凝固后在铝合金表面形成良好的涂层。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该铝基涂层为柔性纤维状的技术材料，不仅成分均匀致密，且涂层中的金属纤维形成了一个纵横交错的立体蛛网式结构；其与基体材料复合，不仅匹配性优、熔点、润滑性、填缝能够佳，且成型效果优，结合强度高，能够有效提高基体材料表面的耐磨性和硬度；同时金属布能够裁剪成各种形状，适应基体的能力强，涂层和基体间的空间位置能够良好把控；此外，该涂层的制备方法简便，安全环保。

附图说明

图1为本发明的涂层的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明所采用的原料均可从市场上购买得到。

其中，采用的铝合金粉为6系列的铝合金粉，其成分与铝合金基体成份一致，或者该铝合金粉的液相线温度低于铝合金基体而高于钎料，例如可为6061铝合金粉末，而铝合金基体采用6061铝合金。al-si-cu粉中，si的质量分数可为6.0～11.7％，cu的质量分数可为5～28％，余量为al。而本发明采用的ni-sic粉不设置成分规格，均可适用。

此外，本发明的有机硅树脂粘结剂的制备方法是将其所包含的原料混合即可。本发明的轧制在室温条件下进行。

实施例1

铝基涂层原料包括如下原料：30％ni-sic粉末、45％6061铝合金粉末、21％al-si-cu粉末和4％有机硅树脂粘结剂。其中，al-si-cu粉中si的质量分数可为6.0％，cu的质量分数可为28％，余量为al。有机硅树脂粘结剂包括如下原料：38.8％聚四氟乙烯、22.5％甲基三乙氧基硅烷、8.5％氟橡胶、3.3％顺丁烯二酸酐、5.2％丁苯橡胶、0.8％聚醛树脂、8.8％滑石粉、6.7％丙烯酸酯橡胶、4.2％聚碳酸酯、1.2％羟基聚二甲基硅氧烷。

铝基涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取ni-sic粉末、6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，进行2～3次重复轧辊30min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性铝基金属布。

采用上述铝基涂层制备的铝合金复合材料包括：铝合金基体及覆盖于基体表面的铝基涂层。其中，铝基涂层的厚度为0.5～2.0mm。

该铝合金复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×0.5mm的金属布，并准备50×30×3mm的6061铝合金基体。钎焊设备采用wzb-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨6061铝合金表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的6061铝合金表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10^-4pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至350℃，保温30min，以10℃/min的速率升温至450℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度580℃，保温10min，再以6℃/min的速率冷却至450℃，保温10min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样，即可制得该铝合金复合材料。

性能检测：将制备的涂层进行结构表征，获得的结果如图1所示。通过该图可知，有机硅树脂粘结剂在反复碾压后呈现出白色的棉絮状，这一条一条棉絮连起来整体形成一种纵横交错的立体蛛网式结构，表面圆滑、大小不一的球形颗粒便为ni-sic粉末、铝合金粉末及al-si-cu粉末，这三种粉末被蛛网式的结构镶嵌或包裹在其中，从而将原本分散的粉末材料联结成整体，形成涂层金属布。此外，通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为425hrc，结合强度为153mpa。

实施例2

铝基涂层材料包括如下原料：60％ni-sic粉末、15％6061铝合金粉末、23％al-si-cu粉末和2％有机硅树脂粘结剂。其中，al-si-cu粉中si的质量分数为11.7％，cu的质量分数为5％，余量为al。有机硅树脂粘结剂原料与实施例1相同。

铝基涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取ni-sic粉末、6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊20min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，给粘接布一个正压力，进行2～3次重复轧辊20min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊20min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性铝基金属布。

采用上述铝基涂层制备的铝合金复合材料包括：铝合金基体及覆盖于基体表面的铝基涂层。其中，铝基涂层的厚度为0.5～2.0mm。

该铝合金复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×1.0mm的金属布，并准备50×30×3mm的6061铝合金基体。钎焊设备采用wzb-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨6061铝合金表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的6061铝合金表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10^-4pa。首先以10℃/min的速率升温至350℃，保温30min，以10℃/min的速率升温至450℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度580℃，保温10min，再以6℃/min的速率冷却至450℃，保温10min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样即可。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为416hrc，结合强度为157mpa。

实施例3

铝基涂层原料包括如下原料：45％ni-sic粉末、30％6061铝合金粉末、22％al-si-cu粉末和3％有机硅树脂粘结剂。其中，al-si-cu粉中si的质量分数为10％，cu的质量分数可为24％，余量为al。有机硅树脂粘结剂原料与实施例1相同。

铝基涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取ni-sic粉末、6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊成型15min；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，给粘接布一个正压力，进行2～3次重复轧辊15min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊15min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性铝基金属布。

采用上述铝基涂层制备的铝合金复合材料包括：铝合金基体及覆盖于基体表面的铝基涂层。其中，铝基涂层的厚度为0.5～2.0mm。

该铝合金复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×1.5mm的金属布，并准备50×30×3mm的6061铝合金基体。钎焊设备采用wzb-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨6061铝合金表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的6061铝合金表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10^-4pa。首先以10℃/min的速率升温至350℃，保温30min，以10℃/min的速率升温至450℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度580℃，保温10min，再以6℃/min的速率冷却至450℃，保温10min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样即可。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为408hrc，结合强度为146mpa。

实施例4

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于涂层的原料成分，具体如下所示：

铝基涂层原料包括如下原料：65％ni-sic粉末、10％6061铝合金粉末、21％al-si-cu粉末和4％有机硅树脂粘结剂。其中，有机硅树脂粘结剂包括如下原料：37％聚四氟乙烯、22％甲基三乙氧基硅烷、8％氟橡胶、5％顺丁烯二酸酐、5％丁苯橡胶、1％聚醛树脂、8％滑石粉、8％丙烯酸酯橡胶、4％聚碳酸酯、2％羟基聚二甲基硅氧烷。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为422hrc，结合强度为159mpa。

实施例5

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于涂层的原料成分，具体如下所示：

铝基涂层原料包括如下原料：37％ni-sic粉末、20％6061铝合金粉末、40％al-si-cu粉末和3％有机硅树脂粘结剂。其中，有机硅树脂粘结剂包括如下原料：37％聚四氟乙烯、22％甲基三乙氧基硅烷、8％氟橡胶、3％顺丁烯二酸酐、7％丁苯橡胶、0.5％聚醛树脂、10％滑石粉、6％丙烯酸酯橡胶、5.5％聚碳酸酯、1％羟基聚二甲基硅氧烷。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为409hrc，结合强度为167mpa。

实施例6

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于有机硅树脂粘结剂的原料成分，具体如下所示：

39％聚四氟乙烯、22.5％甲基三乙氧基硅烷、9％氟橡胶、3％顺丁烯二酸酐、5％丁苯橡胶、0.5％聚醛树脂、8％滑石粉、6％丙烯酸酯橡胶、6％聚碳酸酯、1％羟基聚二甲基硅氧烷。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为415hrc，结合强度为149mpa。

对比例1

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不加入ni-sic粉末。具体如下：

铝基涂层原料包括如下原料：70％6061铝合金粉末、26％al-si-cu粉末和4％有机硅树脂粘结剂。其中，有机硅树脂粘结剂与实施例1相同，al-si-cu粉末中各元素的质量分数与实施例1相同。

铝基涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊成型20min；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，给粘接布一个正压力，进行2～3次重复轧辊20min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊20min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性铝基金属布。

采用上述铝基涂层制备的铝合金复合材料包括：铝合金基体及覆盖于基体表面的铝基涂层。其中，铝基涂层的厚度为0.5～2.0mm。

该铝合金复合材料的制备方法与实施例1相同。

性能检测：通过该对比例可知，涂层的原料中不添加ni-sic粉，则使得al-si-cu粉与基体直接相互作用，al-si-cu粉溶化后，在基体上直接润湿母材并铺展，其厚度不可设定，且涂层与基体的界面强度不发生变化。

对比例2

涂层原料组分与实施例1相同，不同之处在于制备涂层时只进行一次间隙调整轧制，具体步骤如下：

(1)按质量百分比称取ni-sic粉末、6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，调整轧辊与工作台距离0.5～2.0mm，对其正反两面进行多次重复轧辊直至成型。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型差，界面结合差，产生了大量的气孔，大大降低了表面硬度及耐磨性。

对比例3

涂层原料组分与实施例1相同，不同之处在于制备涂层时只进行两次间隙调整轧制，具体步骤如下：

(1)按质量百分比称取ni-sic粉末、6061铝合金粉末、al-si-cu粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为0.5～2.0mm，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min。

性能检测：通过观察可知，6061铝合金表面涂层成型差，界面结合差，产生了大量的气孔，大大降低了表面硬度及耐磨性。