[發明專利]一種鋁合金表面復合涂層的制備方法

在審

• 申請號: 201410176571.0
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN104005019A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 劉洪喜;李琦;張曉偉;蔣業華;姚爽;張旭
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C19/05;C22C32/00
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技術領域

本發明涉及一種鋁合金表面復合涂層的制備方法，屬于激光加工技術領域。

背景技術

鋁合金由于具有密度小、比強度高、耐蝕和成型性好、成本低廉等優點而在船舶、車輛和航空航天等領域得到了廣泛應用。特別是近幾十年來，世界能源危機和環境污染成為汽車行業的最大挑戰，汽車節能減排強度加大、輕量化進程加快，從而導致汽車鋁合金結構件比例不斷增加。但鋁合金存在表面硬度低，摩擦系數高、磨損大，易拉傷且難以潤滑，強度低易發生塑性變形等不足，使其作為重要結構件在惡劣服役工況下易產生失效。常見失效形式有：氣環用槽表面磨損和疲勞破壞，活塞裙部拉傷，缸蓋表面環形壓痕和平面度超差、發動機懸置支架斷裂等。這些固有不足在很大程度上限制了鋁合金發動機結構件的進一步更廣泛應用。相對于常用鋁合金表面改性方法，激光熔覆可利用高能密度激光束將高熔點粉末熔覆在低熔點基材表面而形成具有冶金結合的熔覆復合涂層，制備的涂層硬度高、耐磨和耐蝕性優異。因此，近年來在鋁合金表面制備與鋁合金基體結合良好的耐磨、耐蝕復合涂層的激光熔覆技術受到了研究者的青睞。

鋁合金的導熱性好，在鋁合金表面進行激光熔覆時熔池凝固速率極快，在凝固后的熔覆層內部殘余拉應力較大，易產生裂紋。專利CN102373469A公布了一種連續機械振動抑制激光熔覆層裂紋的方法，該方法是在激光熔覆過程中輔助低頻高振幅機械振動，使晶粒細化，同時有利于釋放熔池內部殘余應力，達到較少熔覆層內部裂紋的效果。但該方法只能有效減少裂紋數量，而不能從根本上消除裂紋。專利CN102383126A公布了一種具有預熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層制備方法，該方法采用激光分束鏡將Nd:YAG激光器發出的激光束分為兩束激光，一束激光為預熱激光束，另一束激光為后熱激光束。在用CO₂激光束進行熔覆實驗時分別用這兩種激光束對試樣進行預熱和后熱處理，制備出的熔覆層無裂紋產生。該方法的缺點是設備和工藝比較繁雜，同時預熱和后熱激光束功率調節不易控制。

鋁合金對CO₂激光器的吸收系數極低，并且目前激光熔覆粉末粒徑絕大多數為微米級（＞1?μm），為了能夠同時熔化合金粉末和基材表面，得到與基材結合良好的熔覆層，須提高激光功率密度，然而鋁合金的熔點較低（約為660℃），在高功率密度下熔覆層的稀釋率較高。專利CN102534467A中公布了一種在ZL101鋁合金表面激光熔覆制備高硅涂層的方法，該方法中粉末粒度74?μm。專利CN101012561A公布了一種鋁合金表面激光熔覆強化方法，所用粉末分別為Al-Si粉末（粒度：45~100?μm）和SiC粉末（粒度：75?μm）。專利CN1537970A公布了一種鋁合金引擎零組件激光合金化的制造方法，該方法中所采用的粉末粒徑范圍是70?μm~200?μm。以上幾種方法中，粉末粒度均較大，需要較高的激光能量來熔化粉末，導致涂層稀釋率偏高。因此，在鋁合金表面進行激光熔覆改性時，采用納米級粉末便成為解決熔覆層開裂和降低稀釋率的理想辦法。

自1997年徐濱士院士提出“納米表面工程”的概念以來，以“納米技術”為核心的“納米表面工程技術”得到了國內學者的高度重視。納米粉末表面原子狀態不穩定，表面晶格振幅較大，具有較高的表面能量，可造成納米粉末熔點下降。同時，納米粒子粒徑（＜100?nm）小于CO₂激光束波長（10.6?μm），納米粒子能夠與CO₂激光束產生復雜的交互作用，從而大大提高對入射光的吸收率。由于納米粉末特殊的熱性質和光性質，為納米表面涂層性能的提高提供了有利條件。研究表明，與傳統涂層相比，納米結構涂層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面有顯著改善。將納米粉體應用于表面激光熔覆表面改性領域，制備出含有納米結構的表面熔覆層，可使基材表面的力學、物理和化學性能得到改善，達到材料表面改性與功能化相結合的目的。