一种增强铝合金基体表面性能的电子束熔覆方法与流程

本发明属于合金材料表面涂层制备
技术领域：
，涉及一种增强铝合金基体表面性能的电子束熔覆方法。
背景技术：
：当前机械结构逐渐往大型化和轻量化方向发展，铝合金的应用领域逐渐拓展。铝及其合金的使用得到快速的发展，目前铝及其合金广泛应用于航空、航天等领域。近些年来航空和航天飞行器对轻量化要求越来越高，铝合金已经成为大型运载火箭以及各种航天器的重要结构的主要选用材料。相比于其他种类铝合金，2219铝合金主要为al-cu合金，具有可热处理性，其具有良好的综合力学性能。铝合金虽广泛用于汽车运输和航空航天中，但是铝合金具有较低的表面硬度，差的耐磨性和其他自缺陷，这使得零件的表面在实际使用过程中容易受到刮擦，进而会导致整个组件的故障。对于需要出色的表面耐磨性的主要部件，例如发动机气门座、活塞和内燃机凸轮，常规的铝合金材料始终要进行严格的测试。这在一定程度上限制了其在某些重要摩擦部件上的使用，并限制了其进一步的使用和发展。高熵合金是一种新型的具有高强度、高稳定性、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐蚀性的功能材料，作为一种全新的合金体系，由于其独特的微观结构特征和优异综合性能，成为当前研究的热点之一。目前高熵合金的研究多集中在铸态和热处理态下的合金系的设计、制备、和性能表征等方面，其中alcocrfeni属于alxcocrfeni系统，是最发达和最完善的hea系统之一，该合金具有极好的耐腐蚀性、高硬度、耐磨性以及抗氧化性。在航空航天以及核电领域具有很大的优势。高熵合金优异的综合性能使其成为潜在的新型结构材料，目前对高熵合金的制备还处于研究阶段，难以制成大块限制了高熵合金广泛应用，而利用少量的高熵合金进行表面改性则可以解决这个问题。与传统的表面改性技术相比，高能束(主要包括激光、电子束和离子束)表面熔覆以其高密度能量及快速冷却的特点，可以制备高性能的表面合金层，极大的提高材料表面的组织和性能。2219铝合金在高温下和空气反应极为活泼，针对高能束表面改性技术，电子束表面改性加工处理工作在真空腔室内进行，氧气等对其所产生的有害影响极小，从而可以获得相对洁净的电子束表面处理层。alcocrfeni高熵合金与2219铝合金的热物理性能具有极大差异性，熔融过程中铝合金基体和高熵合金粉末同时结晶困难，熔合过程中的内应力经常超过材料的承受极限而出现裂纹。因此本发明提出的一种增强铝合金基体表面性能的电子束熔覆方法可以充分结合2219铝合金及alcocrfeni高熵合金优点，利用电子束快速冷却的特点，制备出具有良好冶金结合且综合性能优异的表面改性涂层。技术实现要素：本发明的目的是提供一种增强铝合金基体表面性能的电子束熔覆方法，通过使用高能电子束技术表面处理alcucocrfeni合金化涂层，获得了具有良好冶金结合的电子束熔覆涂层，以实现2219铝合金基材表面强化，改变组织形貌细化晶粒、极大的提高涂层显微硬度及耐磨耐蚀性。本发明上述解决的技术问题是通过下面的技术方案得以实现的：一种增强铝合金基体表面性能的电子束熔覆方法，包括以下步骤：1)将alcocrfeni高熵合金粉末预置在待处理2219铝合金基体材料表面，形成alcocrfeni待熔覆层；2)在电子束设备的真空腔室内，以高能电子束扫描待熔覆层，将所述alcocrfeni高熵合金电子束熔覆在基体材料表面，形成alcucocrfeni合金化熔覆涂层；其中，所述高能电子束的熔覆束流为15ma，扫描速度为150mm/min，扫描频率为800hz。本发明上述方法中，所使用的alcocrfeni高熵合金粉末纯度为99.9％，粒度为15-53μm。所使用的待熔覆2219铝合金基体采用线切割的方式切割成待熔覆试样块。在进行高熵合金粉末层预置之前，还需要对2219铝合金基体材料进行预处理，包括对待处理2219铝合金基体材料表面分别用180#、320#、600#、800#、1000#、1500#的sic砂纸依次打磨，并用丙酮吸去油污、杂质，最后用无水乙醇清洗，晾干。对于粉末层的预置问题，具体是将alcocrfeni高熵合金粉末与羟乙基黏液混合并搅拌均匀，随后将搅拌均匀浆体均匀涂敷在2219铝合金基体表面上，预置涂敷厚度为1mm。对于预置方法具体地是，使用和待熔覆基体长宽同规格的1mm厚铝合金薄板，将其镂空去预熔覆面积后使用速干胶水固定在待熔覆基体材料上。待其凝固之后使用平齐刮板将alcocrfeni高熵合金粉末与羟乙基黏液混合均匀浆体涂敷在2219铝合金基体表面上，反复涂敷直至无明显气泡且平整。本发明所述alcocrfeni高熵合金粉末及2219铝合金基体材料需要先进行预热处理，具体地，是将已预置alcocrfeni高熵合金粉末的2219铝合金基体材料真空预热至200℃处理2h。本发明上述方法中，电子束熔覆在真空环境下进行，焊接束流为15ma，扫描速度为150mm/min，扫描频率为800hz。具体地，电子束熔覆设备中真空腔室的真空气压调为3.0×10-2pa左右。具体地，电子束熔覆的扫描搭接率为10～20％，搭接过程中单道预置熔覆粉末层宽度为4mm。本发明上述方法中，除所述的工艺参数外，其他固定的通用参数为：聚焦电流：260ma；偏压电压：1800v；灯丝电流:18.0a；高压电压：65.0kv；对缝束流：4.0ma。本发明具有以下有益效果：本发明通过预置法将alcocrfeni高熵合金粉末预置在2219铝合金基体表面之上，通过高能电子束设备在真空腔室内对其进行电子束熔覆，从而充分结合alcocrfeni高熵合金及2219铝合金两者的优点制备出洁净、轻量、高强、耐磨及耐蚀表面涂层。本发明是一种基于电子束熔覆增强2219铝合金基体表面性能的方法，前期通过正交试验法进行初步工艺探索，而后通过优化工艺参数并综合评价下得到最佳工艺参数。在高能电子束的扫描辐照下，使2219铝合金基体材料表面的一薄层与加入的等比例alcocrfeni合金元素同时快速熔化、混合，形成表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105～108℃，冷却速度极快，快速熔化的非平衡过程可使alcucocrfeni合金元素在凝固后的组织达到很高的饱和度，从而形成普通合金化方法不容易得到的化合物、介稳相和新相，从而获得具有组织致密且较佳性能的表面合金化涂层。本发明通过电子束熔覆技术的快速冷却特点并使用上述得到的最佳工艺参数得到了组织致密且具有良好冶金结合的典型电子束熔覆涂层，典型电子束熔覆涂层主要由少量富铜相+bcc1+bcc2+fcc相组成。本发明通过最佳工艺参数进行电子束熔覆得到的典型熔覆涂层显微硬度比2219铝合金基体明显高出一个数量级。本发明通过最佳工艺参数下进行电子束熔覆得到的典型熔覆涂层的耐磨耐腐蚀性能明显优于2219铝合金耐腐蚀性能。附图说明以下结合附图和本发明的实施例来做进一步详细说明图1是搭接示意图；1为高能电子束，2为实时扫描熔覆区域，3为预置粉末层，a/d＝搭接率；图2是xrd物相分析图；s1为2219铝合金基体，s2为熔覆涂层；图3是硬度测试位置图；p1为熔合区，p2为扩散区，p3为热影响区，p4为基体；h1为20位置点(1点/50μm)，h2为21位置点(1点/50μm)；图4是显微硬度对比图；t1为合金化熔覆涂层，t2为熔合线，t3为热影响区，t4为2219铝合金基体；图5是极化曲线对比图；s3为2219铝合金基体，s4为合金化熔覆涂层；图6是实施例电子束熔覆涂层典型sem形貌图；图7是2219铝合金基体组织金相图。具体实施方式实施例以原始的8mm厚2219铝合金铣削板为基体材料，采用线切割的方式将2219铝合金切割成规格为60mm×40mm×8mm的待熔覆试样。对待处理2219铝合金基体材料表面分别用180#、320#、600#、800#、1000#、1500#的sic砂纸依次打磨，并用丙酮吸去油污、杂质，最后用无水乙醇清洗，晾干。打磨的作用是去除铝合金表面的氧化膜，丙酮清洗的目的是除去表面污垢和油垢，以减少对试样的污染。将60mm×40mm×1mm厚铝合金薄板镂空为20mm×50mm的模具，并使用502速干胶水固定在表面处理干净的待熔覆基体材料上。将alcocrfeni高熵合金粉末与羟乙基黏液混合并用玻璃棒充分搅拌均匀，随后使用自制平整刮板将搅拌均匀浆体缓慢均匀涂敷在2219铝合金基体表面上，反复涂敷直至平整，预置涂敷厚度为1mm。拿掉涂敷用模具后，将已预置alcocrfeni高熵合金粉末的2219铝合金基体材料放进真空马弗炉中加热至200℃预热处理2h。预热的目的是为了消除预置涂层的水分以及使混合的羟乙基挥发。将预热完毕的且已预置alcocrfeni高熵合金粉末的2219铝合金基体材料，放入已打开的真空腔室内并用夹具固定，而后关闭腔室抽真空至3.0×10-2pa左右。设置电子束扫描熔覆装置工艺参数为焊接束流15ma，扫描速度150mm/min，扫描频率800hz，扫描搭接率为20％，将预置alcocrfeni高熵合金粉末层电子束熔覆在2219铝合金基体表面。除上述重要工艺参数之外，其他固定的通用参数为：聚焦电流：260ma；偏压电压：1800v；灯丝电流:18.0a；高压电压：65.0kv；对缝束流：4.0ma。比较例根据sem表征结果(图6)可知，实施例在基体上制备的电子束熔覆涂层具有良好的冶金结合，晶粒分布均匀且致密，无明显孔洞和裂纹，对比2219铝合金基体金相图(图7)，实施例熔覆涂层组织中大面积均匀分布浅灰色硬质相。按照实施例方法，在2219铝合金基体材料表面电子束熔覆alcucocrfeni熔覆涂层。取实施例和2219铝合金基体试样，将熔覆涂层和2219铝合金基体分别用180#、320#、600#、800#、1000#、1500#的sic砂纸依次打磨，直至平整，浸泡在乙醇溶液中超声波清洗15min后吹干。最后使用x射线衍射仪对合金化熔覆层及2219铝合金基体内部物相定性分析，试验过程中采用步进方式扫描，扫描增量为20°，扫描范围为2θ角20°～95°，扫描电压为40kv，扫描电流为40ma。xrd分析图谱对比如图2所示。经标定，典型电子束熔覆涂层主要有少量富铜相+bcc1+bcc2+fcc相组成，2219铝合金基体主要fcc相组成。基体中衍射峰数量与熔覆涂层接近，除fcc相衍射峰外，基体中其他衍射峰普遍偏小；电子束熔覆涂层中fcc相的峰值强度相比于其他相较大，这是由于电子束熔覆涂层中虽然含有较多元素，但熔覆过程基体中大量al元素卷入，相比本研究涉及的其他元素al的原子半径相对较大，大原子半径的al会置换固溶体中小原子半径的元素，从而使得fcc相的晶格常数有所增大，al元素的添加也使晶格的畸变程度相应增大，过多得晶格畸变会产生固溶强化，进而阻止晶体的位错运动，使合金中fcc相固溶体的强度增加；电子束熔覆涂层中bcc相的衍射峰虽相比fcc相衍射峰强度较低，但由于cr、fe等对bcc相形成有促进效果的元素作用，其峰值也较高。取实施例的熔覆层横截面进行显微硬度测试，测试位置及标点如图3所示。电子束合金化熔覆涂层横截面尺度方向显微硬度与2219铝合金基体显微硬度对比图如图4所示，具体显微硬度范围见下表1。由表1和图4可知，本发明通过最佳工艺参数进行电子束熔覆得到的典型熔覆涂层显微硬度比2219铝合金基体明显高出一个数量级。采用型号为corrtest2350h的电化学工作站对实施例试样及2219铝合金基体进行耐腐蚀恒电位极化曲线测试。电化学试验采用的是三电极测试系统，工作电极为所测金属试样，采用铂片作为辅助电极，饱和的甘汞电极(232-01,rex)为参比电极，质量分数为3.5％nacl水溶液(水浴缸保持25℃)作为电化学反应溶液，扫描速度以1mv/s的速度进行，电位扫描范围为-2v～2v。待测试样表面留出6mm×6mm的实验区域，其余位置使用油蜡涂覆，晾干，反复涂覆直至除实验区域外全部包裹。耐蚀试验结果如图5和表1所示，合金化熔覆涂层的自腐蚀电位明显高于2219铝合金基体，即通过本发明最佳工艺参数制备的合金化熔覆涂层耐蚀性能优于2219铝合金基体。取实施例试试样和2219铝合金基体进行高速往复式摩擦磨损试验，对磨球选择的是直径为3mm的gcr15轴承钢球，试验条件为：载荷20n，运行速度为150t/min，往复长度5mm，摩擦时间为30min。在相同的磨擦条件下，磨损的深度可以在一定程度上表征磨损量的大小，因此可以通过磨损深度的数值比较试样的耐磨程度。本发明方法下的熔覆涂层与2219铝合金基体的磨痕深度对比如表1所示，可以看到相同的磨擦条件下，本发明最佳工艺下得到的合金化熔覆涂层磨痕深度降低了一倍，进而表明在本发明方法下得到的合金化熔覆涂层大大提高了2219铝合金基体表面的耐磨性能。表1典型工艺方法下电子束熔覆涂层与2219铝合金基体性能对比试样显微硬度(hv)自腐蚀电位(v)磨痕(μm)2219铝合金基材80-90hv-1.16v156.3294合金化熔覆涂层350-450hv-1.03v73.5468当前第1页12