[发明专利]一种铝合金表面铁基陶瓷复合材料、涂层及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷复合涂层制备技术领域，具体涉及一种铝合金表面铁基陶瓷复合材料、涂层及其制备方法。涂层材料由铁基自熔合金粉末、陶瓷粉末和钛粉混合而成，其中陶瓷材料的质量分数为3～20ωt.％、Ti粉5ωt.％～50ωt.％、余为Fe基自熔合金粉末。陶瓷材料为碳化硼或氮化硼。通过激光合金化的方式对基体进行表面改性，得到均匀致密的涂层。合金化层主要由Fe₄Al₁₃、Al₃Ti金属间化合物和TiB₂、TiC、TiN等第二相组成。原位形成的TiB₂多为六方片结构或短棒状结构，它们弥散分布或形成团聚物。TiC和TiN多为近球状或不规则的多面体小颗粒分布在TiB₂周围或金属间化合物晶间。合金化层中硬质陶瓷颗粒和金属间化合物的存在大大改善了表面性能，使涂层的耐磨性最高可达到基体的14倍。

技术领域

本发明属于陶瓷复合涂层制备技术领域，具体涉及一种铝合金表面铁基陶瓷复合材料、涂层及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

铝是现代工业中应用最广泛的一类有色金属材料。铝密度小，大约是铁的三分之一；塑性好，易于加工，可以支撑各种型材、板材；化学性质比较活泼，在空气中能形成一层致密的氧化物薄膜，具有一定的耐蚀性；比强度高；导热性好。添加一定元素形成的铝合金在保持质轻等优点的同时还能够具有较高的强度，成为理想的结构材料，在航空航天、汽车制造、交通运输等领域具有广泛的应用前景。然而，铝及其合金的表面硬度低，耐磨性差，严重限制了他在许多领域的应用。因此，提高铝合金表面的硬度和耐磨性成为了亟需解决的问题。随着大功率激光器的发展，激光表面强化技术迅速兴起。激光束具有能量密度高、相干性好、方向性好等特点，基体表面吸收激光后在极短的时间内迅速熔化并凝固，发生非平衡组织转变，从而改善其表面性能。与喷涂、气相沉积、阳极氧化等常规表面处理方式相比，它具有结合强度高、对基体影响小、适用范围广等优点。在铝合金表面进行激光表面处理，提高其硬度和耐磨性能，已经成为了铝合金表面改性的一大热点。

与钢铁、钛合金等其他常见激光熔覆基体材料相比，铝合金表面激光改性存在着更大的困难。首先，铝合金熔点低易烧损，且对激光的反射率极大。在激光合金化时，需要选择适当的材料体系并不断优化工艺参数，以保证获得质量优异的涂层。其次，铝合金极易氧化形成氧化铝，这种氧化物薄膜熔点高比重大，严重影响合金化层的质量。在激光合金化过程中，必须严格控制保护气的流量，防止熔池氧化。

在铝合金激光表面合金化技术中，设计合适的涂层是十分关键的一步。目前，激光合金化涂层主要包括金属及合金、陶瓷材料以及金属基陶瓷复合材料三大类。其中最常选用且研究最广的涂层材料就是Ni基、Co基等自熔合金。自熔合金与铝基体具有良好的润湿性，易获得冶金结合的致密涂层。用这些合金粉末制成涂层后能大大提高材料表面的硬度和耐磨性。Fe基自熔合金具有优异的抗氧化性和较好的高温性能，且相比于Ni基自熔合金材料价格更加低廉，因此被认为是更有前途的材料。在我们之前的研究中，设计了不同配比的Fe-Al粉末，在6061铝合金表面制备了合金化层。合金化层主要由FeAl，Fe₃Al和FeAl₃金属间化合物组成，它们呈针状、长条状和块状分布在α-Al基底上。随着混合粉末中Fe含量的增加，合金化层的硬度和耐磨性能得到了显著提高。

陶瓷材料如碳化物、氧化物和硼化物等具有较好的力学性能，也经常应用于激光表面改性中。在激光的作用下，熔点较高的陶瓷相可能存留在涂层中，保持着它们原有高强度、高硬度；另一方面，部分陶瓷颗粒在高能束的作用下可能分解，并与涂层中其他元素反应生成新的化合物。常用的陶瓷材料有TiC、SiC、B₄C、Al₂O₃等。此外，已有大量研究表明直接添加陶瓷颗粒可能会因为润湿性较差而增加涂层中的缺陷，相比之下，采用原位生成的方式制备的陶瓷增强相则具有更好的相容性。