[發(fā)明專利]一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層

無效

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• 申請日: 2010-05-27
• 公開（公告）號: CN101880854A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任振安;王亞男;鄭孝義;李欣;譚向虎;劉青磊;朱立紅;黃天平
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: C23C8/36
• 分類號: C23C8/36
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，屬于表面材料制備及表面加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋁及鋁合金具有塑性和成型性好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，用量僅次于鋼鐵材料。但鋁及鋁合金硬度低、耐磨性差，應(yīng)用范圍受到限制，因此一直在研究有效的強(qiáng)化方法。例如，以AlN和TiC粒子作為增強(qiáng)相制備成性能優(yōu)異的整體鋁基復(fù)合材料(崔春翔，吳人潔.原位AlN-TiC粒子增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料.金屬學(xué)報，1996，32(1)：101-104)。除了整體強(qiáng)化鋁及鋁合金之外，在鋁基體表面形成鋁氮化物(AlN)層可以顯著提高表面硬度，改善耐磨性。表面氮化方法有反應(yīng)濺射、化學(xué)氣相沉積、離子注入和等離子體滲氮等(胡平，蒙繼龍.鋁及鋁合金的等離子體滲氮研究進(jìn)展.金屬熱處理，2000年，第4期：1-4)。但是，由于鋁的特殊性質(zhì)及工藝的限制，得到的氮化層厚度都偏小，一般都只有幾個微米，效果較好的微波等離子體滲氮和射頻等離子體滲氮的氮化層厚度也小于20μm。

近年來，鋁合金表面陶瓷化技術(shù)倍受關(guān)注，采用溶膠-凝膠、陽極氧化、等離子微弧氧化等方法，制備出既有鋁合金基體金屬強(qiáng)度和韌性，又有陶瓷膜層耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料。例如，采用溶膠-凝膠法在鋁合金表面制備了0.25μm厚的SiO₂膜層，可以提高鋁合金的耐蝕性。陽極氧化處理后在鋁合金表面形成致密的Al₂O₃薄膜，厚度可達(dá)35μm～40μm，等離子微弧氧化方法可以制備出200～300μm的Al₂O₃陶瓷膜層(滕敏，李垚，赫曉東.鋁合金材料表面改性研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2004年，第3期：12-17)。

采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行鋁合金表面改性處理可以獲得較厚的表面熔覆層和梯度層。激光熔覆處理使用Ni基、Cu基、Co基、Fe基等粉末類型，例如，用Ni基Ni-4％Al粉以及加入TiC的Ni-Al粉，在鑄造Al-Si合金上進(jìn)行激光熔覆，可以獲得厚度為1mm熔覆層，硬度達(dá)到800HV，熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)是Al₃Ni和Al₃Ni₂枝晶，TiC未熔化呈隨機(jī)分布。用Cu基粉末激光熔覆于3003鋁合金上，可以獲得無裂紋、冶金結(jié)合良好的熔覆層，其厚度在1.2mm～2.5mm之間，硬度為335HV(滕敏，李垚，赫曉東.鋁合金材料表面改性研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2004年，第3期：12-17)。為了提高鋁合金的表面性能，獲得較大厚度表面層，上海交通大學(xué)采用激光熔覆方法用5kW的CO₂激光器對鑄造鋁硅合金表面進(jìn)行兩次激光輻照，先后將不同成分的預(yù)置合金粉末和基體材料一起熔化后迅速凝固，可以獲得Cr/WC及Ni/WC激光表面梯度層(趙濤，陳秋龍，蔡珣，錢紅斌.鋁硅合金表面激光Cr/WC梯度層組織及抗微動磨損性能研究.金屬熱處理，2001年，第3期：30-32，45)。

綜上可見，制備整體鋁基復(fù)合材料或者在鋁基體表面制備氮化物(如AlN)及氧化物(如SiO₂、Al₂O₃)膜層，以及制備不同成分的厚度較大的激光表面梯度層，是提高鋁及鋁合金性能的有效途徑。

由于復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合形成的新型材料，一般由基體組元與增強(qiáng)體或功能組元所組成。而金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)體形式分類，如顆粒增強(qiáng)、短纖維與晶須增強(qiáng)以及連續(xù)纖維增強(qiáng)等。在該領(lǐng)域，鋁基復(fù)合材料較成熟的是碳化硅和氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。按照梯度材料“是指一類組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料”的概念，在鋁及鋁合金基體表面制備的表面層，有可能同時具有梯度材料和復(fù)合材料的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容：

鋁及鋁合金是應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)材料，但硬度低、耐磨性差，應(yīng)用范圍受到很大限制。本發(fā)明的目的是提供一種鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層，在鋁及鋁合金表面制備厚度較大的、氮化鋁增強(qiáng)的、同時具有梯度和復(fù)合材料性質(zhì)的表面層，提高鋁及鋁合金的硬度和耐磨性。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的鋁及鋁合金基體氮化鋁增強(qiáng)梯度復(fù)合材料表面層制備原理是，采用氮電弧直接作用于鋁合金基體，使其表面局部熔化，電弧氣氛中的N元素(N的離子、原子和分子)溶解進(jìn)入高溫熔池，Al與N元素發(fā)生氮化反應(yīng)Al+N→AlN，原位生成的AlN作為增強(qiáng)相與鋁合金基體組成表面強(qiáng)化層。