铁铝合金复合强化铝基材料、其制备方法及应用与流程

本发明涉及多层表面复合强化铝基材料，特别是涉及铁铝合金复合强化铝基材料、其制备方法及应用。

背景技术：

随着交通拥堵问题的日趋严重，城市轨道交通以其大运量、快捷、舒适、节能、环保等特性已成为解决城市交通问题的必然发展趋势。随着交通运输科技的不断进步，城市轨道交通车辆的设计速度也越来越高，由以往的80km/h提高到120km/h，对车辆的安全制动性能也提出了更高的要求。车辆的制动实质上是利用摩擦副将列车动能转化为热能从而达到减速和停车的目的，并通过与外界环境的热交换来散热，因此，制动盘的耐热强度及散热能力是衡量车辆制动性能的关键指标之一。

此外，随着城市轨道交通建设规模的不断扩大、运营网络的不断增多，能耗也大幅度增加。据统计，牵引能耗占总能耗的30％左右，车辆质量减轻10％，牵引能耗则可以减少6％左右，而车辆制动装置约占簧下重量的20％，这20％中大部分又被制动盘所占据，因此，采用轻量化制动盘可起到明显的减重效果，不但可以提速降噪，减少能源消耗和碳排放，而且可以减少轮轨磨耗，降低轨道线路维护费用，从而带来巨大的社会和经济效益。

铝基合金具有密度小、比强度高、热膨胀系数低、易于加工等特点，且具有较好的塑性、导电、导热、抗蚀、可焊和力学性能，近年来常被用来替代铁、钢等传统的制动盘材料，成为目前轨道交通车辆轻量化的主要研究方向。然而，铝基合金固有的高温力学性能差，耐摩擦磨损性能和高温抗氧化性不佳等问题限制了其在高速轨道交通制动工况下的进一步使用。目前，比较常用的方法是采用增强相增强铝基材料，以提高其耐磨耐损等性能，但随着增强相的掺入，势必带来制备难度和制造成本的增加，而且其高温力学性能也不能满足高速轨道交通制动的使用要求。目前有科技工作者采用渗碳、渗氮、喷涂、微弧氧化、电镀、离子镀、物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入、等离子体浸没离子注入与沉积等表面改性方法，以在铝基合金表面形成多种类型功能薄膜或涂层。然而，这些方法普遍存在着成本高，膜层或涂层厚度较薄且与铝基合金结合强度不佳的问题。因此，也不能适用于高速制动条件下高温和大应力的工况条件。为弥补上述不足，人们开始采用涂层厚度可控且能与基材表面形成良好冶金结合的功能复合涂层的激光熔覆技术，以使铝基合金表面的硬度、耐磨、耐蚀和抗氧化等综合性能得到显著提高。

铁铝金属间化合物具有优异的高温抗氧化性和抗硫化性、相对较低的密度和低廉的价格等，可作为铝基合金表面耐蚀、耐高温、抗氧化的增强体防护层。但激光熔覆粉末与基体的热物理性能不匹配容易导致涂层出现裂纹等缺陷，这在制动盘的应用中是致命的。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种无裂纹，与铝基合金呈良好冶金结合的铁铝合金复合增强铝基材料，该材料不仅具备了铁铝金属间化合物优良的高温力学性能、耐腐蚀和耐磨损性能，同时保留了铝基合金的高导热性、质轻等优点。将该材料用作高速轨道交通制动盘材料，一方面可以大幅度降低生产成本，另一方面可以显著提高制动盘的使用温度和使用寿命。

一种铁铝合金复合强化铝基材料，包括铝基合金层，与所述铝基合金层冶金结合的fe3al合金层及与所述fe3al合金层冶金结合的feal合金层，所述fe3al合金层主要由fe3al相和zrb2相组成，所述feal合金层主要由feal相、b相和al2o3组成。

在其中一个实施例中，所述feal合金层还包括mosi2相。

此外，本申请还提供一种上述铁铝合金复合强化铝基材料的制备方法，包括以下步骤：

在保护性气体氛围中，将fe粉、al粉、无定形b粉和zr粉按比例球磨混合，得到fe3al合金原料粉；

在保护性气体氛围中，将fe粉、al粉、无定形b粉和al2o3颗粒按比例球磨混合，得到feal合金原料粉；

将所述fe3al合金原料粉铺设在铝基合金表面，在保护性气体氛围中进行激光熔覆后退火，得到冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层；

将所述feal合金原料粉铺设在所述fe3al合金层表面，在保护性气体氛围中进行激光熔覆后退火，得到所述铁铝合金复合强化铝基材料。

在其中一个实施例中，所述fe3al合金原料粉中，所述fe粉与al粉的质量比为(4～7):1，所述无定形b粉的质量占所述fe3al合金原料粉总质量的0.02％～2％，所述zr粉的质量占所述fe3al合金原料粉总质量的0.08％-5％。

在其中一个实施例中，所述feal合金原料粉中，所述fe粉与al粉的质量比为(2.2～4):1，所述无定形b粉的质量占所述feal合金原料粉总质量的0.02％～2％，所述al2o3颗粒的质量占所述feal合金原料粉总质量的4％～15％。

在其中一个实施例中，所述feal合金原料粉中还包括mosi2，所述mosi2占所述feal合金原料粉总质量的0.1％～3％。

在其中一个实施例中，所述fe3al合金原料粉中，所述无定形b粉的质量占所述fe3al合金原料粉总质量的0.02％～0.8％；所述feal合金原料粉中，所述无定形b粉的质量占所述feal合金原料粉总质量的0.02％～0.8％；所述al2o3颗粒的粒径在10μm以下。

在其中一个实施例中，所述激光熔覆的条件为：激光功率为1.5kw～3.5kw，扫描速度为30mm/s～300mm/s，光斑直径为1mm～10mm。

在其中一个实施例中，所述退火的温度为200℃～450℃。

此外，本申请还提供一种上述铁铝合金复合强化铝基材料在高速轨道交通制动盘中的应用。

上述铁铝合金复合强化铝基材料，相较于由feal相、b相和al2o3相组成的feal合金层，由fe3al相和zrb2相组成的fe3al合金层相比b2结构的feal具有更好的室温塑韧性，且与铝基合金层的热膨胀系数比较接近，位于feal合金层和铝基合金层之间可起到应力缓冲作用，有效防止在反复快速制动中热应力下裂纹的出现和扩展；而相较于由fe3al相和zrb2相组成的fe3al合金层，由feal相、b相和al2o3相组成的feal合金层具有更高的比强度和更好的耐腐蚀性能，作为表面层，可有效提高其耐磨耐损性能。

此外，铁铝金属间化合物不仅具有优良的高温抗氧化性、抗硫化腐蚀以及耐磨损性能，而且其不含贵重金属，价格低廉。通过在铝基合金表面冶金结合fe3al合金层，再在fe3al合金层表面冶金结合feal合金层，使得铝基合金层和fe3al合金层之间以及fe3al合金层和feal合金层之间的结合力大大提高，不仅具备了铁铝金属间化合物优良的耐腐蚀和耐磨损性能，同时保留了铝基合金的高导热性、质轻等优点。将该材料用于高速轨道交通制动盘，一方面可以大幅度降低生产成本，另一方面可以显著提高制动盘的使用温度和使用寿命。

附图说明

图1为实施例1制备的冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层的金相图；

图2为实施例1制备的feal合金层的摩擦测试结果图；

图3为实施例1制备的feal合金层进行三次重复摩擦磨损试验结果图；

图4为实施例2制备的feal合金层的摩擦测试结果图；

图5为实施例2制备的feal合金层进行三次重复摩擦磨损试验结果图；

图6为实施例3制备的feal合金层的摩擦测试结果图；

图7为实施例3制备的feal合金层进行三次重复摩擦磨损试验结果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一实施方式的铁铝合金复合强化铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤s110～s140：

s110、在保护性气体氛围中，将fe粉、al粉、无定形b粉和zr粉按比例球磨混合，得到fe3al合金原料粉。

需要说明的是，步骤s110中，通过控制fe粉、al粉的混合比例，以主要生成呈do3结构的fe3al相。另外通过添加适量的无定形b粉和zr粉，使zr与b反应生成zrb2，以改善fe3al合金的晶粒结构，避免脆性断裂发生。

在本实施方式中，fe3al合金原料粉中，fe粉与al粉的质量比为(4～7):1，无定形b粉的质量占fe3al合金原料粉总质量的0.02％～2％，zr粉的质量占fe3al合金原料粉总质量的0.08％-5％。

更进一步的，无定形b粉的质量占fe3al合金原料粉总质量的0.02％～0.8％。

将fe粉、al粉、无定形b粉和zr粉，在保护性气体氛围中按比例球磨混合，可避免生成氧化物薄膜，影响后续铝基合金层与fe3al合金层的结合。

在本实施方式中，步骤s110中保护性气体氛围为氩气氛围或氦气氛围。

s120、在保护性气体氛围中，将fe粉、al粉、无定形b粉和al2o3颗粒按比例混合，得到feal合金原料粉。

需要说明的是，步骤s120中，通过控制fe粉、al粉的混合比例，以主要生成呈b2结构的feal相。另外，通过添加适量的无定形b粉，以改善feal合金的塑韧性。通过添加适量的al2o3颗粒与feal相复合，二者间具有良好的表面浸润性，利用弥散强化和细晶强化机理，可起到增韧补强的作用。即al2o3颗粒在晶内和晶外均有存在，在其“钉扎作用”下，可有效阻碍基体相内部大量位错的扩张，增大了裂纹扩展路径，从而实现提高feal合金层的断裂能。此外，通过添加适量的al2o3颗粒还可以用来调整和控制摩擦系数，以使feal合金层作为表面层具有优异的耐磨耐损性能。

在本实施方式中，feal合金原料粉中，fe粉与al粉的质量比为(2.2～4):1，无定形b粉的质量占feal合金原料粉总质量的0.02％～2％，al2o3颗粒的质量占feal合金原料粉总质量的4％～15％。

进一步的，无定形b粉的质量占feal合金原料粉总质量的0.02％～0.8％。

进一步的，al2o3颗粒的粒径需控制在10μm以下，以最大化其增韧补强作用和耐磨耐损性能。更进一步的，al2o3颗粒的粒径为10nm～10μm。

在其他实施方式中，若需要降低摩擦系数，上述feal合金原料粉中还可包括mosi2。通过添加适量的mosi2作为润滑组元，以调整feal合金层的摩擦系数达到指定要求。

进一步的，mosi2占feal合金原料粉总质量的0.1％～3％。可以理解，这里的feal合金原料粉为包括mosi2的feal合金原料粉。

进一步的，步骤s120中保护性气体氛围为氩气氛围或氦气氛围。

s130、将上述fe3al合金原料粉铺设在铝基合金表面，在保护性气体氛围中进行激光熔覆后退火，得到冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层。

在本实施方式中，铝基合金为al-fe-v-si铝合金，该铝合金中，fe的质量分数为8.5％，v的质量分数为1.3％，si的质量分数为1.9％，余量为铝。

需要说明的是，铝基合金可以根据具体的使用要求，选择与fe3al合金热物理性能相匹配的铝基合金即可，而不限于上述的al-fe-v-si铝合金。

通过在铝基合金表面激光熔覆fe3al合金层，利用fe3al合金原粉中较高含量的铁可有效稀释铝基合金中的铝，从而避免feal2、fe2al5、feal3等脆相的产生，而主要生成具有较高塑韧性的fe3al相。同时，通过fe3al合金原粉中无定形b粉和zr粉反应生成的zrb2相，可有效改善fe3al合金的晶粒结构，避免脆性断裂发生，防止气孔和裂纹的产生。此外，由于fe3al合金层与铝基合金层之间采用激光熔覆技术冶金结合，可有效提高fe3al合金层与铝基合金层的连接强度，且fe3al合金层与铝基合金层的热膨胀系数较为接近，铝基合金层又具有优良的导热性能，因此，fe3al合金层在制备工况下所产生的热应力很小，几乎可以忽略。

在本实施方式中，保护性气体氛围中为氩气氛围或氦气氛围，激光熔覆采用光纤激光器，激光熔覆的条件为：激光功率为1.5kw～3.5kw，扫描速度为30mm/s～300mm/s，光斑直径为1mm～10mm。

在本实施方式中，退火的温度为200℃～450℃。

可以理解，fe3al合金层与铝基合金层界面可能还存在极少量的其他铁铝金属间化合物，但由于fe3al合金原粉中较高含量的铁粉稀释作用，主要还是生成具有较高塑韧性fe3al相。

s140、将上述feal合金原料粉铺设在fe3al合金层表面，在保护性气体氛围中进行激光熔覆后退火，得到铁铝合金复合强化铝基材料。

在本实施方式中，保护性气体氛围为氩气氛围或氦气氛围，激光熔覆采用光纤激光器，激光熔覆的条件为：激光功率为1.5kw～3.5kw，扫描速度为30mm/s～300mm/s，光斑直径为1mm～10mm。

在本实施方式中，退火的温度为200℃～450℃。

由feal相、b相和al2o3相组成的feal合金层具有更高的比强度和更好的耐腐蚀性能，作为表面层，可有效提高其耐磨耐损性能。

上述铁铝合金复合强化铝基材料，利用激光熔覆技术，使得铝基合金层和fe3al合金层之间以及fe3al合金层和feal合金层之间的结合力大大提高，塑性较好的fe3al合金层作为中间层，可起到应力缓冲作用，有效防止在反复快速制动中热应力下裂纹的出现和扩展，铝基合金层作为基底层，可起到良好的导热作用，高硬度耐磨的feal合金层作为表面层，可起到耐磨耐蚀作用，将该材料用于高速轨道交通制动盘，一方面可以大幅度降低生产成本，另一方面可以显著提高制动盘的使用温度和使用寿命。

另外，需要说明的是，上述步骤s110、s120的顺序不限，可以先制备fe3al合金原料粉，也可以先制备feal合金原料粉，或者同时制备也可以，只要在制备相应层之前，将相应原料粉准备好即可。

以下为具体实施例。

实施例1

(1)在氩气氛围中，将850gfe粉、150gal粉、8g无定形b粉和1gzr粉球磨混合，得到fe3al合金原料粉。

(2)在氩气氛围中，将750gfe粉、250gal粉、10g无定形b粉和100gal2o3颗粒球磨混合，得到feal合金原料粉。

(3)将上述fe3al合金原料粉铺设在al-fe-v-si铝合金表面，在氩气保护氛围中进行激光熔覆后在450℃退火2小时，得到冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为3kw，扫描速度为300mm/s，光斑直径为3mm。

(4)将上述feal合金原料粉铺设在fe3al合金层表面，在氩气保护氛围中进行激光熔覆后在200℃退火，得到铁铝合金复合强化铝基材料。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为3.5kw，扫描速度为300mm/s，光斑直径为3mm。

实施例1制备的冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层的金相图如图1所示。由图1可以看出铝基合金层与fe3al合金层界面结合良好。

对实施例1制备的feal合金层样品进行硬度测试，其硬度在3.5gpa左右。

对实施例1制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图2所示，由图2可以看出，feal合金层的平均摩擦系数为0.78。

对实施例1制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图3所示，由图3可以看出，feal合金层的平均磨损量为8.3mg。

实施例2

(1)在氩气氛围中，将850gfe粉、150gal粉、12g无定形b粉和10gzr粉球磨混合，得到fe3al合金原料粉。

(2)在氩气氛围中，将700gfe粉、300gal粉、15g无定形b粉和50gal2o3颗粒球磨混合，得到feal合金原料粉。

(3)将上述fe3al合金原料粉铺设在al-fe-v-si铝合金表面，激光熔覆后在300℃退火3小时，得到冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为3kw，扫描速度为250mm/s，光斑直径为3mm。

(4)将上述feal合金原料粉铺设在fe3al合金层表面，激光熔覆后在300℃退火，得到铁铝合金复合强化铝基材料。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为2.5kw，扫描速度为300mm/s，光斑直径为3mm。

对实施例2制备的feal合金层样品进行硬度测试，其硬度在3.3gpa左右。

对实施例2制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图4所示，由图4可以看出，feal合金层的平均摩擦系数为0.70。

对实施例2制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图5所示，由图5可以看出，feal合金层的平均磨损量为9.3mg。

实施例3

(1)在氩气氛围中，将800gfe粉、200gal粉、10g无定形b粉和5gzr粉球磨混合，得到fe3al合金原料粉。

(2)在氩气氛围中，将700gfe粉、300gal粉、15g无定形b粉、50g和20gmosi2粉末球磨混合，得到feal合金原料粉。

(3)将上述fe3al合金原料粉铺设在al-fe-v-si铝合金表面，激光熔覆后在200℃退火4小时，得到冶金结合的fe3al合金层和铝基合金层。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为3.5kw，扫描速度为300mm/s，光斑直径为3mm。

(4)将上述feal合金原料粉铺设在fe3al合金层表面，激光熔覆后在450℃退火，得到铁铝合金复合强化铝基材料。其中，激光熔覆的条件为：激光功率为2.5kw，扫描速度为300mm/s，光斑直径为3mm。

对实施例3制备的feal合金层样品进行硬度测试，其硬度在3.2gpa左右。

对实施例3制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图6所示，由图6可以看出，添加mosi2润滑后feal合金层的平均摩擦系数为0.53。

对实施例3制备的feal合金层样品进行三次重复摩擦磨损试验，实验条件为：在23n压力作用下，用sic对偶摩擦1000m，摩擦速度1m/s，结果如图7所示，由图7可以看出，feal合金层的平均磨损量为6.8mg。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同的是，对比例1是先在al-fe-v-si铝合金表面激光熔覆feal合金层，再在feal合金层表面激光熔覆fe3al合金层，结果发现fe3al合金层的耐磨性比feal合金层的耐磨性明显降低，而且在反复制动的热疲劳和应力疲劳下，feal层和铝合金层之间容易因为feal合金层的脆性导致裂纹的扩展，继而导致在界面处出现脱落和破坏。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，不同的是，对比例2中fe3al合金原料粉中fe粉为950g，al粉为50g，结果发现根本无法形成do3结构的fe3al金属间化合物层，而是以al原子固溶在铁素体内部的形式存在。

对比例3

对比例3与实施例1基本相同，不同的是，对比例3中feal合金原料粉中fe粉为650g，al粉为350g。结果发现，过高的al含量会使得feal的脆性变得更加明显，从而影响其在摩擦过程中的稳定性，而且即使加入了b和zr等元素来实现增韧和增强，但对feal室温塑性的改善微乎其微。

对比例4

对比例4与实施例1基本相同，不同的是，对比例4中fe3al合金原料粉中未添加无定形b粉和(或)zr粉。结果发现，未添加无定形b粉和(或)zr粉会降低fe3al材料的塑韧性，容易导致fe3al层的氢脆和塑韧性下降的问题。

对比例5

对比例5与实施例1基本相同，不同的是，对比例5中fe3al合金原料粉中未添加无定形b粉和(或)al2o3颗粒。结果发现，未添加无定形b粉和(或)al2o3颗粒会降低fe3al材料的塑韧性，容易导致fe3al层的氢脆和塑韧性下降的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。