[发明专利]一种铝合金表面复合梯度改性层的制备方法

说明书

本发明公开了一种铝合金表面梯度复合改性层的制备方法，其步骤如下：(1)铝合金材料表面预处理：用砂纸将表面打磨，并在酒精、丙酮溶液中依次清洗以去除表面油污；(2)在铝合金表面采用表面机械纳米合金化的方法引入具有一定厚度且为纳米结构的铁合金化层；(3)将经表面合金化处理后的样品进行一定温度的渗氮处理。此方法可在铝合金基体表面制备出一层具有梯度复合结构特征、且耐磨性优良的改性层，同时此改性层与基体有着良好的兼容性和结合力，另外该方法工艺简单，成本低廉，适合平板状铝合金材料的大规模表面处理。

技术领域

本发明属于铝合金表面处理领域，具体涉及制备一种铝合金表面 复合梯度改性层的方法。

背景技术

铝合金表面耐磨性不足是限制其进一步应用的主要问题。为此， 材料工作者们常采用离子渗氮、离子注入、物理气相沉积、微弧氧化 以及激光表面处理等方法对其进行表面改性，这些方法可在材料表面 制备出陶瓷(如AlN、TiN、Al₂O₃等)改性层，利用陶瓷改性层的高 硬度和高耐蚀性可有效改善铝合金的表面性能。然而，陶瓷改性层的 物理性能(热膨胀系数)和力学性能(硬度、弹性模量)与基体极度 不匹配，当铝合金材料在承受热冲击和高载荷冲击时，这种不匹配可 使改性层与基体的界面处产生较大应力，易造成改性层剥落或失效。 因此，制备出与基体相容、且耐磨性和耐蚀性良好的改性层一直是铝 合金表面工程领域中的重要研究方向。

为了减缓基体和改性层之间物理和力学性能的突变，通常在铝合 金表面设计出成分、结构及性能均呈渐变特征的梯度改性层。比如一 些科研工作者采用离子注入的方法，通过优化离子注入浓度和先后顺 序，在铝合金表面获得了TiN/Ti+TiN/Ti+Al/Al梯度改性层，降低了 摩擦系数，提高了磨损寿命。再如采用磁控溅射的方法在铝合金表面 制备出DLC/TiC/TiCN/TiN/Ti多层膜结构，为基体和膜层的界面结构 提供连续性，改善了涂层与基体的结合力，提高了摩擦学性能。这些 方法可有效制备出性能良好的梯度改性层，但也存在一些弊端，如工 艺复杂、周期较长以及成本昂贵等。总之，目前还没有一种工艺简单、 对设备要求低的方法能够在铝合金表面制备出具有复合梯度结构特 征的改性层。

发明内容

针对目前制备铝合金表面梯度改性层方法的不足之处，本发明提 供了一种工艺简单、成本低廉的，且可制备与基体结合良好的梯度改 性层的方法，具体采用表面机械纳米合金化和气体渗氮相结合的复合 表面处理方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铝合金表面复合梯度改性层的制备方法，包括以下步骤：

(1)铝合金材料表面预处理：用砂纸对铝合金表面打磨，然后 依次置于丙酮和无水乙醇中超声清洗5-10min并吹干，得到预处理后 的铝合金材料；

(2)铝合金表面机械纳米合金化：将预处理后的铝合金材料放 入高能球磨机附属的球磨罐中，同时放入钢球与铁粉，设置振头的超 声振动频率为30-60Hz，通过超声振动驱动钢球对预处理后的铝合金 材料表面进行撞击，处理时间为1-3h，最后在铝合金表面获得一定厚 度且为纳米结构的铁合金化层；

(3)将步骤(2)处理后的铝合金装入气体渗氮炉或离子渗氮炉 进行渗氮。

优选地，所述的钢球直径为4-8mm，所述的钢球、预处理后的铝 合金材料与铁粉的质量比为6-10:3-6:1-3。