[发明专利]铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝硅合金及铝硅复合材料，特别涉及一种铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法。

背景技术

铝硅（Al-Si）合金是一类具有独特微观组织和性能特点的铝合金。铝硅合金中硅含量可在0～70%之间调整，获得组织性能各不相同的铝硅合金（硅含量低于20%）或者铝硅复合材料（硅含量高于20%），以满足各类不同的应用需求。无论是低硅含量的合金还是高硅含量的复合材料，获得细小的等轴状硅颗粒都可以显著提升合金的综合力学性能，因此，硅组织的细化控制成为了铝硅体系材料研发制备的关键技术。

Al-Si在577℃发生共晶反应，共晶成分中硅含量为12.6wt.%，不经变质处理的铸态合金中的共晶硅相一般呈粗大的片状形貌；而对于过共晶A1-Si合金，在凝固过程中首先要析出粗大的初晶硅，其自身易含缺陷、强度较低、易引起应力集中，从而使合金的强度和塑韧性明显降低。已有的研究表明，搅拌铸造法制备的Al-Si合金或铝硅复合材料会出现硅异常长大、成分严重偏析、缺陷较多等问题，难以获得预期的微观组织。对于Si含量较低的Al-Si合金，可采用半固态铸造技术获得具有细小等轴硅Si颗粒的微观组织（平均颗粒尺寸小于20μm），合金的力学性能和二次加工性能大大提升。如能进一步改进硅颗粒的微观组织，使得硅的典型尺寸在5μm以下（乃至亚微米尺度），合金的力学性能将发生显著改变；采用此类铝硅合金或复合材料加工制造而成的汽车零部件将具备轻质、高硬度、耐磨性极好等优异的使用性能。然而，制备硅尺寸为几微米或亚微米尺寸的铝硅材料较为困难。对于硅含量较高的复合材料而言，硅颗粒的微观组织控制更加困难；使用当前的技术方法难以获得具有细小（平均颗粒尺寸5μm以下）而均匀的硅颗粒的微观组织。因此，提供一种能获得具有细小而均匀的硅颗粒的微观组织的铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能获得具有细小而均匀的硅颗粒的微观组织的铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，该方法为采用脉冲激光对铝硅合金或铝硅复合材料表面进行重熔和凝固。经过重熔之后材料形成具有均匀和超细微观组织的改性表面层，使用该方法处理之后，材料表面硬度和耐磨性大幅提升。

本发明的具体操作方法，包括如下步骤：

（1）将铝硅合金或铝硅复合材料表面进行清洁处理，去除油污等污染物；

（2）以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面，并且激光头在材料的表面进行逐行扫描，使单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池；

（3）重复步骤（2），使材料的整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，完成整个铝硅合金或铝硅复合材料表面的改性处理。

步骤（2）中，所述的脉冲激光的参数是：峰值功率为1.5～4kW，脉宽（脉冲作用时间）为2.5ms～5ms，脉冲频率为10～30Hz，扫描速率（焊接速率）为2～5mm/s。优选的，所述脉冲激光的参数是：峰值功率2.5～4kW，脉宽（脉冲作用时间）为4ms～4.5ms，脉冲频率为10～20Hz，焊接速率为2～3.5mm/s。

所述的单点熔池的搭接重叠率优选为80%～90%。材料的表层熔化厚度为0.5mm～2mm范围内。

激光熔化过程，即以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面过程中，采用流动Ar气对熔池进行保护，避免熔池金属在大气中氧化。

激光重熔是将脉冲激光作用于材料表面，在极短时间内形成锥形熔池，以一定频率产生的脉冲激光重复作用于材料表面，与此同时，激光头以一定的速率在材料表面逐行扫描行走，单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池，在材料表面形成连续的熔池，从而对整个材料表面实现改性处理。该过程中材料表层的化学成分不发生变化，材料内部（表层以下）组织不发生改变，材料的整体性能保持不变。

本方法适用于硅重量百分含量为0%～60%的铝硅合金或铝硅复合材料表层0.5mm～2mm厚度范围内的微观组织细化控制，尤其针对硅颗粒进行细化控制。

经过本方法改性处理之后，材料表层形成均匀的超细微观组织，该组织由亚微米尺寸Al-Si共晶组成，或者由亚微米尺寸Al-Si共晶和5μm以下的弥散分布初晶硅共同组成。

有益效果：