[發(fā)明專利]一種基于梯度熔覆的鎂基復(fù)合材料及其制備方法

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• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111088485A
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張英喬;靳坤;李志勇;魏守征;郭杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發(fā)明公開了一種基于梯度熔覆的鎂基復(fù)合材料及其制備方法，制備時(shí)采用激光熔覆技術(shù)在鎂合金基體上進(jìn)行梯度熔覆，首先熔覆Al粉末作為過渡層，繼續(xù)熔覆Al?Ti?Ni/C混合粉末作為保護(hù)層。梯度熔覆的涂層致密、無裂紋，各層之間呈良好冶金結(jié)合，涂層的硬度、耐磨性及耐蝕性均較基體有大幅度提高，擴(kuò)展了鎂合金在腐蝕與磨損環(huán)境下的應(yīng)用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鎂基復(fù)合材料及其制備方法，具體涉及一種基于梯度熔覆的鎂基復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、可重復(fù)回收利用等特點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，然而其硬度低、耐磨及耐蝕性差，在高溫、高速、重載、磨損及腐蝕性環(huán)境中工作時(shí)易過早失效，限制了其應(yīng)用范圍。借助于表面改性技術(shù)，在保持材料原有性能的前提下，提高鎂合金的表面性能，使其能適應(yīng)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，能進(jìn)一步拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與應(yīng)用前景。

鎂合金表面改性技術(shù)有陽極氧化、微弧氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、電鍍、氣相沉積、等離子噴涂等，但普遍存在表面改性層薄、孔隙率高、致密度差、與基體結(jié)合不緊密、成本高、環(huán)境不友好等問題。激光熔覆技術(shù)能量密度大、加熱與冷卻速度快、熱影響區(qū)小，制備的涂層致密度高、與基體結(jié)合牢固，是一種較理想的鎂合金表面改性技術(shù)。

鎂合金的熔點(diǎn)沸點(diǎn)低，在大功率激光熔覆過程中蒸發(fā)嚴(yán)重，因此實(shí)際使用時(shí)通常會限制激光器的能量輸入，但能量輸入降低會使涂層的厚度無法增加、高熔點(diǎn)的粉末難以熔化，使最終制備的涂層較薄、表面成形差，甚至無法成形。如能采用梯度熔覆的方法，先熔覆一層與鎂合金熔點(diǎn)沸點(diǎn)等熱物理性質(zhì)差異小的涂層材料；再在其上熔覆一層高熔點(diǎn)防腐耐磨涂層材料，可以較好地解決此問題。一方面多層熔覆可增加涂層厚度，避免鎂合金在表面磨損的工況條件下及腐蝕性介質(zhì)中過早暴露；另一方面上部熔覆時(shí)可采用大功率，避免在鎂合金表面直接熔覆而產(chǎn)生的蒸發(fā)嚴(yán)重、稀釋率高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種基于梯度熔覆的鎂基復(fù)合材料及其制備方法，具體是在鎂合金基體上依次熔覆Al以及Al-Ti-Ni/C粉末材料制備的鎂基復(fù)合材料，通過在鎂合金表面形成梯度熔覆涂層，改善鎂合金表面的硬度、耐磨性及耐蝕性。

本發(fā)明提供了一種基于梯度熔覆的鎂基復(fù)合材料及其制備方法，所述的鎂基復(fù)合材料是以鎂合金作為基體，采用Nd：YAG激光器在其表面依次熔覆中間過渡層及上部保護(hù)層。本發(fā)明采用預(yù)涂覆法，先把粉末用粘合劑調(diào)成糊狀，涂覆于基體Mg之上，再進(jìn)行激光照射熔覆。本發(fā)明采用Nd：YAG激光器在鎂合金表面進(jìn)行梯度熔覆，首先熔覆Al粉末制備過渡層，繼續(xù)熔覆Al-Ti-Ni/C混合粉末制備保護(hù)層，從而形成具有良好冶金結(jié)合、性能優(yōu)良的梯度涂層，滿足其在磨損、腐蝕條件下的使用要求。

鋁與鎂的熱物理性質(zhì)相近，如Al的熔點(diǎn)為660℃，僅略高于鎂（649℃），兩者浸潤性好，同時(shí)鋁的硬度高于鎂，且具有良好的耐蝕性。鎂合金表面激光熔覆時(shí)以Al作為過渡層，使用較小激光能量即可使Al粉與少量鎂基體表面同時(shí)熔化，冷卻凝固后形成牢固冶金連接，減少鎂基體蒸發(fā)，防止界面剝離及出現(xiàn)裂紋氣孔等缺陷。因此，本發(fā)明選用鋁粉末作為鎂合金梯度熔覆的過渡層材料。

本發(fā)明上部保護(hù)層采用高性能混合金屬粉末作為熔覆材料。由于Al過渡層的存在，激光不直接作用于鎂基體表面，不存在鎂的蒸發(fā)及稀釋率高的問題，可選用較大的激光能量，因此可選擇的粉末體系范圍較廣。二元金屬粉、三元金屬粉、金屬與陶瓷混合粉末等均可使用，但要考慮所選熔覆粉末材料應(yīng)與Al中間過渡層材料具有良好的熱物理相容性及浸潤性，以保證中間過渡層與保護(hù)層結(jié)合良好。本發(fā)明使用Al、Ti及Ni/C(鎳包碳)混合粉末作為上部保護(hù)層激光熔覆粉末。其中Al粉的含量較多，以保證中間層與保護(hù)層界面結(jié)合良好、性能梯度過渡；Ti及Ni/C粉的加入可與Al形成Al₃Ti、AlNi、Ti₃AlC₂等金屬間化合物及TiC陶瓷增強(qiáng)相，提高硬度、耐磨性及耐蝕性。