本發(fā)明涉及材料表面科學與陶瓷增強Al基復合涂層及其制備方法，更確切地說，本發(fā)明涉及鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層及制備方法。

背景技術(shù)：

鋁合金質(zhì)量輕、比強度高、耐大氣腐蝕、無低溫脆性、非磁性、易加工成形，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車機械、電子工業(yè)以及國防軍工等領(lǐng)域，但其耐磨損、抗沖蝕性能差，限制了其在鉆探采掘（如鋁合金鉆桿）、高速列車、輕質(zhì)裝甲等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。為了解決鋁基材料這一性能短板，近年來鋁基復合材料，特別是陶瓷增強鋁基復合材料，得到了廣泛的研究。

碳化硼（B₄C）陶瓷是已知最堅硬的三大材料之一，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，且密度低（2.52g/cm³）、強度大、高溫穩(wěn)定性以及化學穩(wěn)定性好，特別是其具有優(yōu)良的中子捕獲能力，且易于制造，價格比后兩種超硬材料低廉，在耐磨材料，尤其在輕質(zhì)裝甲、核反應(yīng)堆中子吸收劑等方面應(yīng)用廣泛。但大塊的B₄C 脆性大，很難單獨作為結(jié)構(gòu)材料使用。B₄C顆粒增強鋁基復合材料很好地滿足了輕量化和耐磨損雙重要求。目前，B₄C顆粒增強鋁基復合材料主要采用鑄造、粉末冶金等工藝方法制備。由于B₄C硬度高，對工、模具傷害大，一次成型后很難再進行后續(xù)加工，限制了B₄C顆粒增強鋁基復合材料的應(yīng)用。而B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層制備，作為最后一道工序，不影響鋁合金前序加工成形，既能滿足使用性能需要，又能解決工藝性能要求。

與整體B₄C顆粒增強鋁基復合材料相比，B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層不影響常規(guī)鋁合金結(jié)構(gòu)件的制造及基體性能，且表面強化效果更好、成本更低、制備過程更簡單，因此我們致力于在鋁合金表面制備B₄C顆粒增強鋁基復合涂層。

由于鋁及其合金表面有一層致密的氧化膜，傳統(tǒng)方法很難將陶瓷顆粒導入鋁合金表層并形成冶金結(jié)合，采用噴涂技術(shù)導入到金屬表面的陶瓷顆粒只能形成機械鑲嵌，結(jié)合強度低，使用過程中容易脫落。國內(nèi)外采用鑄造、粉末冶金等方法整體制備陶瓷顆粒增強鋁基復合材料的報道較多，但到目前，在鋁合金表面制備陶瓷增強Al基復合熔覆層的工作尚較為少見。

中國發(fā)明專利公開號為CN101733550A，公開日為2010.06.16，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“一種送絲送粉復合激光熔覆成形方法及裝置”，專利報道了一種適合激光作為熱源的絲-粉復合熔覆成形方法，但只適用于Fe基涂層的制備，不能調(diào)節(jié)送粉角度。

中國發(fā)明專利公開號為CN101722346A，公開日為2010.06.09，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“CO₂氣體保護-噴射送粉復合堆焊工藝”，專利也報道了一種粉-絲復合表面堆焊的工藝，其采用的是與焊絲同軸送粉的方式，不能調(diào)節(jié)送粉角度，也只適用于Fe基涂層的制備。

中國發(fā)明專利公開號為CN103273170A，公開日為2013.09.04，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“一種陶瓷增強鐵基耐磨復合涂層的堆焊方法”，專利所報道的陶瓷增強鐵基耐磨復合涂層，即采用的是“CO₂氣體保護-噴射送粉復合堆焊工藝”，同樣只適用于Fe基復合涂層的制備。

并且，激光、等離子等高能束熱源溫度太高，可將導入的陶瓷顆粒直接熔解；此外，目前的堆焊、熔覆手段，無法破除鋁合金表面致密的氧化膜而有效導入陶瓷增強顆粒。從文獻檢索知，目前國內(nèi)外尚未見到有利用粉-絲復合熔覆技術(shù)在鋁合金表面制備B₄C顆粒增強Al基復合涂層的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)技術(shù)難以破除鋁及其合金表面快速生成的致密氧化膜，解決B₄C顆粒質(zhì)量輕不易送粉且與鋁合金熔液潤濕差，將B₄C顆粒有效導入鋁合金表層并形成冶金結(jié)合良好的Al基復合熔覆層的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的，鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，結(jié)合粉-絲復合熔覆的技術(shù)方案，其特征在于：其中B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層由鋁合金基體和B₄C顆粒組成，利用熔化極惰性氣體保護焊- MIG焊，向鋁合金表面過渡鋁合金焊絲的同時，輔助旁側(cè)注射B₄C顆粒融入Al基熔覆層，即為在鋁合金表面制備B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層。

進一步的改進在于：其中熔覆層中的B₄C顆粒非均勻分布；表層的B₄C顆粒覆蓋率在30%～40%，自表面沿深度方向的含量逐漸減小。

進一步的改進在于：所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層厚度為2～3mm。

進一步的改進在于：所述的B₄C顆粒尺寸為120目；熔覆層Al基體用鋁合金絲材為直徑1.2mm的ER5356焊絲，用到的鋁合金基板材料牌號為5052、2A16、ZL101。

鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的制備方法，其特征在于：

該熔覆層的制備步驟如下：

（1）將B₄C顆粒（粉）單獨置于送粉器中，鋁合金焊絲固定在自動送絲機上，并將送粉噴嘴與熔化極惰性氣體保護焊- MIG焊槍復合，調(diào)節(jié)焊槍高度和送粉噴嘴角度送絲和送粉，耦合點落在鋁合金基板上；

（2）采用純度為99.99%的高純氬氣作為保護氣和送粉氣，調(diào)節(jié)鋁合金MIG焊參數(shù)和注射送粉參數(shù)；

（3）在鋁合金表面啟動MIG焊的同時，開啟旁側(cè)注射送粉，使B₄C顆粒注入鋁合金熔池中。

進一步的改進在于：所述MIG焊的電流為50～80A單脈沖直流，電壓為15～18V，保護氣流量為12～15L/min；B₄C送粉速度1～2g/min，送粉氣流量2～3L/min；熔覆速度300～400mm/min。

有益效果：

本發(fā)明的主要創(chuàng)新點是將鋁合金MIG焊與注射熔覆技術(shù)相結(jié)合，很好地解決了B₄C顆粒難以突破鋁合金表面氧化膜阻礙的難題，成功將B₄C顆粒比較均勻地導入到Al基熔覆層中，在鋁合金表面形成B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化和耐磨損雙重優(yōu)越性能。

本發(fā)明的B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層與鋁合金基板之間、熔覆層中的B₄C顆粒與Al基體之間的結(jié)合均良好，無明顯的氣孔、裂紋等缺陷；鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的耐磨損性能好，相同條件下的磨損量不足正火態(tài)45鋼的1/30。

本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的制備方法是采用MIG堆焊+旁側(cè)注射送粉的復合熔覆技術(shù)，利用了鋁合金MIG焊電弧的陰極破碎氧化膜機制和注射粉末分散原理，采用鋁合金焊絲和B₄C顆粒作為熔覆材料，純氬氣作為保護氣和送粉氣，原材料價格便宜。

本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，與整體陶瓷增強鋁合金復合材料相比，所用B₄C顆粒增強相只集中分布于結(jié)構(gòu)件表層，B₄C顆粒用量大大減少，不影響鋁合金件的前序加工，無模具、刀具消耗，簡化了零件制造工藝，降低了生產(chǎn)成本；

本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，與鋁合金表面噴涂陶瓷涂層相比，孔隙率低，增強層厚度大，B₄C顆粒與Al基體形成冶金結(jié)合，而不是機械鑲嵌，所以結(jié)合強度高，磨損過程中不易脫落；

本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層制備方法采用MIG焊電弧作為熱源，溫度較激光束、等離子弧等熱源的溫度低，不會導致B₄C顆粒熔解，MIG焊電弧的陰極破碎氧化膜能力強，鋁合金表面無需嚴格的前期清理，生產(chǎn)效率高，對環(huán)境影響小，可通過調(diào)節(jié)MIG焊參數(shù)、送粉速度和粉-絲耦合角度來控制涂層尺寸、B₄C顆粒含量及分布梯度；

本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的制備設(shè)備簡單，只需MIG自動焊機和送粉器裝置，易于自動化、規(guī)模化生產(chǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

圖1 是本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層制備方法的原理圖。

圖中1是自動送絲機，2是保護氣，3是MIG焊槍噴嘴，4是MIG焊槍導電嘴，5是B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，6是鋁合金焊絲，7是送粉器，8是B₄C顆粒注射噴嘴，9是熔池，10是鋁合金基板，11是MIG焊機。

圖2是本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層經(jīng)10vol.%氫氟酸腐蝕5min后的表面形貌:(b)是(a)的局部放大。

圖3是本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的橫斷面形貌：(b)是(a)的局部放大。

圖4是本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層和正火態(tài)45鋼分別與100～200目氧化鋁砂輪片進行銷-盤磨損的質(zhì)量損失對比（注：正火態(tài)45鋼的顯微硬度HV₃₀₀為200～220，圓柱銷試樣直徑為4.8mm，磨損載荷為30N，磨損速度約為7.5m/min，磨損時間為10min）。

圖5是正火態(tài)45鋼（a）及本發(fā)明所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層（b）的磨損形貌。

具體實施方式

本發(fā)明如圖1-5所示。

鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層，結(jié)合粉-絲復合熔覆的技術(shù)方案，其中B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層5由鋁合金基體和B₄C顆粒組成，利用熔化極惰性氣體保護焊- MIG焊，向鋁合金表面過渡鋁合金焊絲的同時，輔助旁側(cè)注射B₄C顆粒融入Al基熔覆層，即為在鋁合金表面制備B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層5。

其中熔覆層中的B₄C顆粒非均勻分布；表層的B₄C顆粒覆蓋率在30%～40%，自表面沿深度方向的含量逐漸減小。

所述的鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層厚度為2～3mm。

所述的B₄C顆粒尺寸為120目；熔覆層Al基體用鋁合金絲材為直徑1.2mm的ER5356焊絲，用到的鋁合金基板材料牌號為5052、2A16、ZL101。

鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層的制備方法，

該熔覆層的制備步驟如下：

（1）將B₄C顆粒-粉末單獨置于送粉器中，鋁合金焊絲固定在自動送絲機上，并將送粉噴嘴與熔化極惰性氣體保護焊-MIG焊槍復合，調(diào)節(jié)焊槍高度和送粉噴嘴角度送絲和送粉，耦合點落在鋁合金基板上；

（2）采用純度為99.99%的高純氬氣作為保護氣和送粉氣，調(diào)節(jié)鋁合金MIG焊參數(shù)和注射送粉參數(shù)；

（3）在鋁合金表面啟動MIG焊的同時，開啟旁側(cè)注射送粉，使B₄C顆粒注入熔化后的鋁合金焊絲中。

所述MIG焊的電流為50～80A單脈沖直流，電壓為15～18V，保護氣流量為12～15L/min；B₄C送粉速度1～2g/min，送粉氣流量2～3L/min；熔覆速度300～400mm/min。

鋁合金表面B₄C顆粒增強Al基復合熔覆層5的制備方法和步驟如下：

1.預(yù)備工作：

將B₄C顆粒（粉）裝入送粉器7中，鋁合金焊絲6固定在自動送絲機1上，并保持送絲、送粉通暢；用砂紙打磨去除鋁合金基板10表面的氧化皮及油污，用毛刷清理表面灰塵，將鋁合金基板10裝夾在載物臺上；將MIG焊機11的負電極線纜與載物臺夾持牢固，將MIG焊槍噴嘴3和B₄C顆粒注射噴嘴8同時固定于可實現(xiàn)自動行走的機構(gòu)上，例如可編程機床。

2.MIG焊工藝參數(shù)調(diào)試：

保證MIG焊槍噴嘴3垂直于鋁合金基板10，MIG焊槍噴嘴3到鋁合金基板10的距離10～15mm，根據(jù)鋁合金基板10的厚度調(diào)試電流、電壓、熔覆速度等工藝參數(shù)，以形成厚度小于2mm的扁平鋁合金堆焊層為宜。

3.送粉工藝參數(shù)調(diào)試：

B₄C顆粒注射噴嘴8孔徑為1.6mm，調(diào)節(jié)B₄C顆粒注射噴嘴8與鋁合金基板10的夾角， 以70°～80°為宜，且應(yīng)迎坡送粉，即送粉方向與熔敷方向相反，保證B₄C顆粒注入熔池9中心，且避免與伸出MIG焊槍導電嘴4的焊絲6干涉，送粉氣流量2～3L/min，B₄C顆粒的送粉速度1～2g/min。

4.粉-絲復合熔覆：

打開保護氣2和送粉氣的閥門，啟動MIG焊機11和送粉器7的電源，打開送粉器7的開關(guān)送粉，啟動MIG焊機11的起弧開關(guān)起弧并送絲，運行自動行走機構(gòu)進行粉-絲復合熔覆，熔覆速度參考同種規(guī)格鋁合金MIG焊速度，熔覆功率比同種規(guī)格鋁合金表面MIG堆焊高100～200W，保持熔覆層厚度為2～3mm。具體實施案例及工藝參數(shù)如表1所示。

表1實施例案例及工藝參數(shù)表

注：所用MIG焊機為Fronius TPS 4000，熔覆電流為單脈沖直流。