[發(fā)明專利]一種高性能Zr/Al涂層的制備方法

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• 申請(qǐng)日: 2020-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN111676475A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 關(guān)慶豐;李雷;季雪素;杜雪澤;田娜娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C24/10
• 分類號(hào): C23C24/10;C23C24/06
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本發(fā)明涉及鋁合金表面改性技術(shù)領(lǐng)域，指一種高性能Zr/Al涂層的制備方法。本發(fā)明將Al塊和所需純鋯粉末一同放入球磨機(jī)中混合球磨，在表面制備一層涂層。它借助高壓沖擊力作用預(yù)先將Zr粉末沉積到Al基體表面形成一層Zr薄膜層，再通過電子束處理來調(diào)整合金層表面組織結(jié)構(gòu)，如提高致密度、細(xì)化晶粒、改善表面粗糙度、提升硬度等，該組合工藝可以顯著提高Zr膜的形成速率及與基體的結(jié)合強(qiáng)度，還使得Zr的分布均勻化，解決Zr元素的嚴(yán)重偏聚問題，在材料表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，最終改善Al?Zr層的耐蝕性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋁合金表面改性技術(shù)領(lǐng)域，指一種高性能Zr/Al涂層的制備方法，具體為一種電子束輻照球磨制備的Zr/Al涂層實(shí)現(xiàn)表面鋯合金化的方法。本發(fā)明是通過塊-粉混合球磨在Al塊表面制備一層Zr涂層與強(qiáng)流脈沖電子束輻照技術(shù)相結(jié)合的方法，在Al表面制備具有較高硬度和極佳耐腐蝕性的合金化層，屬于金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋁(Al)及其合金由于比強(qiáng)度高、延展性好、密度低、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車、運(yùn)動(dòng)、航空航天和電子等各個(gè)行業(yè)。然而，較低的硬度和某些環(huán)境下較差的耐腐蝕性能等限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)鋁(Al)及其合金進(jìn)行表面改性處理，改善材料的表面性能，同時(shí)保持合金特有的綜合性能，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的作用。

鋁合金常用的表面改性方法有電鍍、陽極氧化、氣相沉積、熱噴涂等技術(shù)。但它們大都存在鍍層薄而脆、氧化膜不連續(xù)、膜層與基體結(jié)合力不足以及氧化嚴(yán)重等問題。因此，很多學(xué)者更愿意將關(guān)注點(diǎn)集中在元素合金化方面。元素合金化是指通過在材料表面添加合金化元素及調(diào)整加工工藝，在性能較差的基體材料表面制備出一層綜合性能優(yōu)異的表面合金層或滲層。鋯(Zr)元素是重要的戰(zhàn)略材料，均質(zhì)的Al-Zr合金層兼具鋁和鋯的優(yōu)良性能，有強(qiáng)度高、熔點(diǎn)較高及優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時(shí)還具有良好的延展性、熱傳導(dǎo)特性以及抗輻射性能，是提高裝甲材料和航天發(fā)動(dòng)機(jī)耐腐蝕性能的備選材料之一。但在實(shí)際熔鑄過程中，Al-Zr凝固過程難以達(dá)到平衡狀態(tài)。Zr元素易偏聚，形成粗大的初生相Al₃Zr，晶界附近與枝晶間區(qū)域易形成析出相貧化區(qū)，這種形式對(duì)合金危害極大，傳統(tǒng)的加工方式難以避免。一些研究表明MA制備涂層法雖然在一定程度上改善了Zr偏析的情況，但是制備的涂層疏松多孔，同時(shí)不可避免地會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度較大，并且制備涂層與基體并不是冶金結(jié)合，特別是會(huì)損害材料的耐蝕性能。此外，熱噴涂、離子束注入和激光表面合金化技術(shù)等均在鋁合金上取得一定進(jìn)展，然而熱噴涂的結(jié)合強(qiáng)度較低且存在一定的氣孔，離子束注入生產(chǎn)效率較低且注入系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，激光表面合金化技術(shù)存在能量利用率低和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本高等問題。

強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)表面合金化是一種新出現(xiàn)的載能束表面改性技術(shù)。在電子束轟擊過程中，高能量(10⁸～10⁹W/cm²)瞬間沉積在材料表面，使涂層和基體瞬間熔融和快速凝固，進(jìn)而在表面形成合金化層；此外，此過程中相變、晶粒細(xì)化均有可能發(fā)生。在實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的同時(shí)，解決了涂層與基體間界面結(jié)合力弱的問題。因此，將HCPEB技術(shù)用于輻照球磨制備的Zr/Al涂層實(shí)現(xiàn)其鋯合金化，能夠提高涂層的綜合性能，對(duì)于Al-Zr合金的應(yīng)用價(jià)值有很重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種Al-Zr合金表面改性技術(shù)，以此改善Al合金的表面性能和延長(zhǎng)其在特殊環(huán)境下的服役壽命。

本發(fā)明將Al塊和所需純鋯粉末一同放入球磨機(jī)中混合球磨，在表面制備一層涂層。它借助高壓沖擊力作用預(yù)先將Zr粉末沉積到Al基體表面形成一層Zr薄膜層，再通過電子束處理來調(diào)整合金層表面組織結(jié)構(gòu)，如提高致密度、細(xì)化晶粒、改善表面粗糙度、提升硬度等，該組合工藝可以顯著提高Zr膜的形成速率及與基體的結(jié)合強(qiáng)度，還使得Zr的分布均勻化，解決Zr元素的嚴(yán)重偏聚問題，在材料表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，最終改善Al-Zr層的耐蝕性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：