[发明专利]一种铝合金表面复合涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金表面复合涂层的制备方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

铝合金由于具有密度小、比强度高、耐蚀和成型性好、成本低廉等优点而在船舶、车辆和航空航天等领域得到了广泛应用。特别是近几十年来，世界能源危机和环境污染成为汽车行业的最大挑战，汽车节能减排强度加大、轻量化进程加快，从而导致汽车铝合金结构件比例不断增加。但铝合金存在表面硬度低，摩擦系数高、磨损大，易拉伤且难以润滑，强度低易发生塑性变形等不足，使其作为重要结构件在恶劣服役工况下易产生失效。常见失效形式有：气环用槽表面磨损和疲劳破坏，活塞裙部拉伤，缸盖表面环形压痕和平面度超差、发动机悬置支架断裂等。这些固有不足在很大程度上限制了铝合金发动机结构件的进一步更广泛应用。相对于常用铝合金表面改性方法，激光熔覆可利用高能密度激光束将高熔点粉末熔覆在低熔点基材表面而形成具有冶金结合的熔覆复合涂层，制备的涂层硬度高、耐磨和耐蚀性优异。因此，近年来在铝合金表面制备与铝合金基体结合良好的耐磨、耐蚀复合涂层的激光熔覆技术受到了研究者的青睐。

铝合金的导热性好，在铝合金表面进行激光熔覆时熔池凝固速率极快，在凝固后的熔覆层内部残余拉应力较大，易产生裂纹。专利CN102373469A公布了一种连续机械振动抑制激光熔覆层裂纹的方法，该方法是在激光熔覆过程中辅助低频高振幅机械振动，使晶粒细化，同时有利于释放熔池内部残余应力，达到较少熔覆层内部裂纹的效果。但该方法只能有效减少裂纹数量，而不能从根本上消除裂纹。专利CN102383126A公布了一种具有预热与后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层制备方法，该方法采用激光分束镜将Nd:YAG激光器发出的激光束分为两束激光，一束激光为预热激光束，另一束激光为后热激光束。在用CO₂激光束进行熔覆实验时分别用这两种激光束对试样进行预热和后热处理，制备出的熔覆层无裂纹产生。该方法的缺点是设备和工艺比较繁杂，同时预热和后热激光束功率调节不易控制。

铝合金对CO₂激光器的吸收系数极低，并且目前激光熔覆粉末粒径绝大多数为微米级（＞1 μm），为了能够同时熔化合金粉末和基材表面，得到与基材结合良好的熔覆层，须提高激光功率密度，然而铝合金的熔点较低（约为660℃），在高功率密度下熔覆层的稀释率较高。专利CN102534467A中公布了一种在ZL101铝合金表面激光熔覆制备高硅涂层的方法，该方法中粉末粒度74 μm。专利CN101012561A公布了一种铝合金表面激光熔覆强化方法，所用粉末分别为Al-Si粉末（粒度：45~100 μm）和SiC粉末（粒度：75 μm）。专利CN1537970A公布了一种铝合金引擎零组件激光合金化的制造方法，该方法中所采用的粉末粒径范围是70 μm~200 μm。以上几种方法中，粉末粒度均较大，需要较高的激光能量来熔化粉末，导致涂层稀释率偏高。因此，在铝合金表面进行激光熔覆改性时，采用纳米级粉末便成为解决熔覆层开裂和降低稀释率的理想办法。

自1997年徐滨士院士提出“纳米表面工程”的概念以来，以“纳米技术”为核心的“纳米表面工程技术”得到了国内学者的高度重视。纳米粉末表面原子状态不稳定，表面晶格振幅较大，具有较高的表面能量，可造成纳米粉末熔点下降。同时，纳米粒子粒径（＜100 nm）小于CO₂激光束波长（10.6 μm），纳米粒子能够与CO₂激光束产生复杂的交互作用，从而大大提高对入射光的吸收率。由于纳米粉末特殊的热性质和光性质，为纳米表面涂层性能的提高提供了有利条件。研究表明，与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面有显著改善。将纳米粉体应用于表面激光熔覆表面改性领域，制备出含有纳米结构的表面熔覆层，可使基材表面的力学、物理和化学性能得到改善，达到材料表面改性与功能化相结合的目的。