專利名稱：鑄鋁表面激光組裝納米Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與鑄鋁表面強化處理有關(guān)，特別是一種鑄鋁表面激光快速組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法。
背景技術(shù)：
鑄造鋁合金(簡稱鑄鋁)具有良好的鑄造性能及重量較輕、導(dǎo)電導(dǎo)熱率較高、耐蝕等特點，在汽車、航空、航天等重要工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但由于鑄鋁硬度相對較低，耐磨性欠佳，限制了應(yīng)用范圍。眾多研究者試圖用表面處理方法來對之改性，其中在鑄鋁表面采用等離子噴涂陶瓷涂層，可以明顯提高鑄鋁的耐磨性，但此涂層主要以亞穩(wěn)相形式存在，層內(nèi)有較高孔隙率，且呈層狀結(jié)構(gòu)，金屬/陶瓷界面上存在較大殘余應(yīng)力，涂層在使用過程中容易脫落失效。激光重熔處理可以大大改善涂層中顆粒之間以及涂層與基體之間的結(jié)合強度，提高涂層質(zhì)量，但處理后很難避免涂層中出現(xiàn)裂紋等缺陷。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對納米陶瓷材料的研究表明納米陶瓷保持陶瓷高硬度、高耐蝕、高絕緣等特性之外，還具有比表面能高，原子擴散能力大大增強等特點，導(dǎo)致納米陶瓷的熔凝溫度明顯降低，有利于熔凝組織致密化。但是由于納米材料易團聚，從而可能在熱作用過程中喪失上述“納米效應(yīng)”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鑄鋁表面激光快速組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，實現(xiàn)鑄鋁表面的納米氧化物陶瓷鍍層的優(yōu)良性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種鑄鋁表面激光快速組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于包括下列步驟①.表面清潔處理在鑄鋁待組裝表面進行去氧化皮和去油污處理；②.造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2將粒度為50～500nm的Al2O3/TiO2粉末經(jīng)等離子致密化造粒組裝成粒度為～30μm的粘合顆粒，簡稱(NF)Al2O3/TiO2；③.噴涂預(yù)組裝在經(jīng)第①步處理的鑄鋁表面先噴涂一層Ni包Al合金，層厚～0.05mm，再噴涂一層(NF)Al2O3/TiO2，層厚0.05～0.12mm；④.在預(yù)組裝涂層表面涂上一層激光的納米氧化物吸收涂料(以下簡稱吸光涂層)，該吸收涂料發(fā)明專利申請?zhí)枮?2136862.7；⑤.在氬氣保護下，對表面進行CO2激光掃描。
所述造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2體系中，Al2O3/TiO2的納米粉末的最佳重量比例為87∶13。
所述造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2體系中，還添加有6～8Wt％的CeO2和8～10Wt％的ZrO2。
所述的吸光涂層是對CO2激光吸收率～94％的吸光涂層。
所述的激光掃描所使用的激光器宜采用工業(yè)用2～5kwCO2連續(xù)激光器，掃描激光功率密度5.03×103～2.04×104w/cm2，激光掃描速度為30～45mm/s。
本發(fā)明的技術(shù)效果對采用本發(fā)明方法制備的納米Al2O3/TiO2鍍層進行顯微組織分析表明鍍層中引入的(NF)Al2O3/TiO2微粒表面能高，比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性高，非常有利于鍍層致密化。此外，鍍層下為熔點較低的Al-Si合金基體，在有效吸收的激光能量作用下容易熔解，而且Al-Si合金未熔基底導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致沿?zé)崃鞣较虻目焖倌?，這非常有利于與表面鍍覆氧化物陶瓷的打底層Ni包Ai的熔融組合，從而形成冶金結(jié)合。
在(NF)Al2O3/TiO2體系中添加6～8Wt％的CeO2，可以抑制晶粒長大，在(NF)Al2O3/TiO2體系中添加8～10Wt％的ZrO2，有利于增加鍍層的韌性。
本發(fā)明組裝的鍍層的相對結(jié)合強度較傳統(tǒng)熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的相對結(jié)合強度提高了約7倍。此外，按ASTMG99及DIM50324測試標(biāo)準，經(jīng)選定的磨損實驗條件下，鑄鋁表面熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的相對磨損體積是激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的11.82倍。這顯然是由于激光超快速熔凝及納米陶瓷材料的“納米效應(yīng)”的綜合作用使鍍層組織致密化及細化的結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
實施例1.鑄鋁為ZL104，作鍍層基底材料，其成分為Si8.0～10.5Wt％Mg0.17～0.3Wt/％Mn0.2～0.5Wt/％Al其余在該鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，包括下列步驟·ZL104鑄鋁表面先經(jīng)砂紙磨光，再用丙酮清洗后待用；·在上述待用鑄鋁表面先熱噴涂Ni包Al合金打底層，～0.05mm厚，再噴涂一層(NF)Al2O3/TiO2，層厚～0.12mm；·在預(yù)組裝鍍層表面涂上增加對CO2激光吸收率的吸光涂層；
·對上述預(yù)組裝鍍層進行CO2激光掃描。采用的激光處理機為HJ-3型2500WCW CO2激光機。入射激光功率密度為2.04×104W/cm2，掃描速度為40mm/s。采用Ar氣保護。
實施例2.
入射激光功率密度為 5.03×103W/cm2激光掃描速度 30mm/sNi包Al底層厚 0.05mm(NF)Al2O3/TiO2層厚 0.05mm其它同實施例1。
實施例3.
入射激光功率密度為 6.3×103W/cm2激光掃描速度 36mm/sNi包Al 0.05mm(NF)Al2O3/TiO20.08mm其它同實施例1。
實施例4.
激光掃描速度為 40mm/s其它同實施例3。
實施例5.
激光掃描速度為 45mm/s(NF)Al2O3/TiO2厚度 0.1mm其它同實施例1。
上述實施例，經(jīng)掃描電鏡對鍍層剖面分析表明，鍍層表面有一層深約0.12mm的細晶組織，最表面為一層深約1.7μm的白亮層，白亮層下面為快速熔凝的細晶組織，該層(包括“白亮層”)的EDAX成分分析表明基本符合預(yù)組裝(NF)Al2O3/TiO2的成分組成。該層細晶組織下為反映激光掃描導(dǎo)致的熱流方向并具有定向凝固特征的枝晶組織，層深～0.38mm。對該層的EDAX成分分析表明基本符合ZL104合金的成分組成，可見為ZL104基體的快速熔凝組織。
上述細晶層及枝晶層致密，未見裂紋與孔隙。
采用原子力顯微鏡觀察，可見上述白亮層中有許多大小不一的晶粒，其中有相當(dāng)數(shù)量的近于納米尺度(≤100nm)。分析認為，在激光快速組裝過程中鍍層最表層中僅在氧化物陶瓷粒子外層發(fā)生部分燒結(jié)或溶解，形成一層致密的含大量未分解的納米微粒的白亮層。
采用Rigakv Dmax-rcX-線衍射儀對鍍層表面的相組成測試表明，鍍層主要相為α-Al2O3、β-TiO2，未發(fā)現(xiàn)亞穩(wěn)相δ-Al2O3或γ-Al2O3。
用顯微硬度計對鍍層(不包括基體熔凝層)的顯微硬度測試表明，該細晶層硬度較高，從最表面→與基體交界上方，硬度值依次為1813、1504、1485、1232HV0.05。
采用聲發(fā)射探測和遞增加載劃痕法測得激光組裝(NF)Al2O3/TiO2鍍層結(jié)合強度(LC1)1＝11.4N，而傳統(tǒng)熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的結(jié)合強度(LC1)2＝1.38N，(LC1)1/(LC1)2＝8.26，(LC1)1比(LC1)2提高了7.26倍。
采用CSM TRIBOMETER及CSM綜合測試系統(tǒng)，按ASTMG99及DIM50324測試標(biāo)準，在選定的磨損實驗條件下，鑄鋁表面熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的相對磨損體積是激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的11.82倍。
綜上所述，得出下列結(jié)果
(1)在鑄鋁表面采用激光可以組裝致密的消除了孔隙及裂紋的Al2O3/TiO2陶瓷鍍層。
(2)鍍層主要相為α-Al2O3及β-TiO2。
(3)鍍層從最表面→與基體交界上方顯微硬度為1813、1504、1485、1232HV0.05。
(4)鍍層結(jié)合強度LC1＝11.4N，比傳統(tǒng)熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的結(jié)合強度提高了7.26倍。
(5)按ASTMG99及DIM50324測試標(biāo)準，在選定的磨損實驗條件下，鑄鋁表面熱噴涂Al2O3/TiO2鍍層的相對磨損體積是激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的11.82倍。
權(quán)利要求
1.一種鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于包括下列步驟①.表面清潔處理在鑄鋁待組裝表面進行去氧化皮和去油污處理；②.造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2將粒度為50～500nm的納米Al2O3/TiO2粉末經(jīng)等離子致密化造粒組裝成粒度為～30μm的粘合顆粒，簡稱(NF)Al2O3/TiO2；③.噴涂預(yù)組裝在經(jīng)第①步處理的鑄鋁表面先噴涂一層Ni包Al合金，層厚～0.05mm，再噴涂一層(NF)Al2O3/TiO2，層厚0.05～0.12mm；④.在預(yù)組裝涂層表面涂上一層激光的納米氧化物吸收涂料；⑤.在氬氣保護下，對表面進行CO2激光掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于所述造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2體系中，Al2O3/TiO2的納米粉末的最佳重量比例為87∶13。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于所述造粒組裝(NF)Al2O3/TiO2體系中，還添加有6～8wt％的CeO2和8～10wt％的ZrO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于所述的吸光涂層是對CO2激光吸收率～94％的吸光涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的鑄鋁表面激光組裝納米Al2O3/TiO2鍍層的方法，其特征在于所述的激光掃描所使用的激光器采用工業(yè)用2～5kwCO2連續(xù)激光器，掃描激光功率密度5.03×103～2.04×104W/cm2，激光掃描速度為30～45mm/s。
全文摘要
一種鑄鋁表面激光組裝納米Al
文檔編號C23C24/08GK1594654SQ200410025438
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者張光鈞, 戴建強, 王慧萍, 奚文龍, 戈大鈁, 徐文華, 趙華明, 陳惠國 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué), 上海瑞法納米材料技術(shù)研究所