一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于：首先以鎢極氬弧作為熱源在鋁合金板的表面形成鋁碳化硅合金層，然后采用攪拌摩擦加工方法對鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的鋁基碳化硅表層材料。本發(fā)明鋁綜合了鎢極氬弧熱源和攪拌摩擦加工的各自工藝優(yōu)點：鎢極氬弧電弧能量參數(shù)可以精確控制，加熱過程穩(wěn)定，能夠利用“陰極霧化”作用及時清除鋁表面難熔氧化物，并獲得表層均勻的復(fù)合材料層；攪拌摩擦加工在固相條件下，通過材料的劇烈塑性變形和流動可以有效消除各種冶金缺陷，細化組織，促進增強相顆粒在合金層的均勻分布。
【專利說明】
一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋁基碳化硅復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料由于具有高耐摩擦磨損性等優(yōu)點，在電子信息、航空航天、國防和交通等領(lǐng)域占有了重要地位。實際上，機械部件的摩擦磨損通常發(fā)生在材料的表面，鋁基碳化硅表層材料，一方面在提高其表面的硬度和耐磨損性能的同時可以保持鋁合金內(nèi)部良好的塑性和延展性，另一方面可以極大簡化制備工藝和降低生產(chǎn)成本。因此，與鋁基碳化硅整體復(fù)合材料相比，鋁基碳化硅表層復(fù)合材料具有更重要的工程應(yīng)用價值。目前，顆粒增強鋁基表面復(fù)合材料層的主要制備方法有:激光熔覆、堆焊、熱噴涂、氣相沉積和攪拌摩擦加工等表面工程技術(shù)。激光熔覆技術(shù)是目前應(yīng)用比較廣泛的表面改性方法之一，但是激光參數(shù)控制困難、使用成本較高，且熔覆效率較低;堆焊和熱噴涂是利用電弧等作為熱源在基體材料表面形成具有特殊性能的復(fù)合層，成本低、工藝設(shè)備簡單，但是復(fù)合層材料容易形成裂紋和氣孔，鋁基體與增強顆粒發(fā)生界面反應(yīng)產(chǎn)生粗大脆性相，降低強化效果;氣相沉積涂層厚度太小，對基體耐磨損性能提高不大。攪拌摩擦加工是一種新型材料改性和復(fù)合材料制備加工方法，其原理是利用攪拌頭所造成的加工區(qū)域材料的劇烈塑性變形和塑形金屬流動，使通過機械或者冶金方式添加的合金顆粒在鋁合金基體材料中分散，從而可以獲得高性能合金材料。作為一種固相加工技術(shù)，攪拌摩擦加工過程中增強相和基體之間較少發(fā)生有害的界面反應(yīng)，加工區(qū)域殘余應(yīng)力和變形也很小，材料的性能可獲得較大幅度提高。但是，目前通過表面鋪粉或者鉆孔填粉方式攪拌摩擦制備加工的材料中，強化相顆粒在鋁基體內(nèi)部不均勻。有報道提出通過增加加工道次和加工相鄰區(qū)域搭疊量來解決顆粒分布均勻性問題，結(jié)果表明改善效果有限，同時增加了生產(chǎn)工序和成本，從而降低這種方法的實際工程應(yīng)用價值。因此，在盡量減少強化相與基體反應(yīng)的前提下，如何將碳化硅顆粒在鋁基體中彌散分布成為了制備高性能鋁基碳化硅表層材料的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法，旨在通過鎢極氬弧(TIG)熱源和攪拌摩擦加工相結(jié)合，來制備碳化硅顆粒細小、分布均勻的鋁基碳化硅表層復(fù)合材料，并簡化工藝流程、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明鋁基碳化硅表層材料(厚度<3_)的制備方法，其特點在于包括如下步驟:
[0006](I)對鋁合金板進行表面清潔，然后在表面加工鉆孔;將碳化硅顆粒加入揮發(fā)性有機溶劑中，混合均勻，獲得涂漿;將涂漿填入鉆孔中并壓實，然后進行干燥處理去除揮發(fā)性有機溶劑；
[0007](2)以鎢極氬弧(TIG)作為熱源在所述鋁合金板的表面進行逐行掃描，相鄰掃描道間相互重疊搭接形成連續(xù)熔池，使鋁合金板的整個表層逐個區(qū)域快速熔化，同時在鎢極氬弧熱源后側(cè)將碳化硅粉末同步送入熔池中，用于補充由于鋁和碳化硅界面反應(yīng)造成的碳化娃粉末損失;最后自然冷卻，在招合金板的表面形成招碳化娃合金層；
[0008](3)采用攪拌摩擦加工對鋁合金板表面的鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的致密鋁基碳化硅表層材料。
[0009]上述制備方法中的具體加工參數(shù)為:
[00?0] 步驟⑴中鉆孔的直徑2mm、深度2?3mm、相鄰鉆孔間隔4?6.5mm。
[0011]TIG熱源的加工參數(shù)為:焊接電流20?100A，焊接電壓10?30V，焊接速度50?100mm/min，采用純氬氣對熔池進行保護，氣流量為5?15L/min。相鄰掃描道間的重疊搭接率為30?50%。
[0012]攪拌摩擦加工的方式為:將樣品固定在攪拌摩擦機床工作臺上，用耐熱合金加工成攪拌工具，攪拌工具在材料表面的攪拌加工前進速度為20?100mm/min，攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度是600?1200rpm/min，針對樣品的整個表層經(jīng)過2?3次逐個區(qū)域的攪拌，相鄰攪拌加工道次之間搭接量為40?50%。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0014]本發(fā)明鋁基碳化硅表層材料的制備方法，綜合了鎢極氬弧熱源和攪拌摩擦加工的各自工藝優(yōu)點:鎢極氬弧電弧能量參數(shù)可以精確控制，加熱過程穩(wěn)定，能夠利用“陰極霧化”作用及時清除鋁表面難熔氧化物，并獲得表層均勻的復(fù)合材料層;攪拌摩擦加工在固相條件下，通過材料的劇烈塑性變形和流動可以有效消除各種冶金缺陷，細化組織，促進增強相顆粒在合金層的均勻分布；因此，本發(fā)明通過鎢極氬弧熱源和攪拌摩擦加工兩種工藝相結(jié)合，最終可以獲得碳化硅顆粒均勻分布的鋁基碳化硅表層復(fù)合材料。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明制備方法中步驟(2)以TIG熱源進行加工的過程示意圖。
[0016]圖2為實施例1所制備樣品的金相照片。
[0017]圖3為實施例2所制備樣品的金相照片。
[0018]圖4為實施例3所制備樣品的金相照片。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0020]實施例1:
[0021]本實施例以鋁合金6061為基體材料(尺寸為100 X 150mm平板，厚度6_)，制備鋁基碳化硅表層材料，具體步驟如下:
[0022](I)首先對鋁合金板進行表面清潔，去除表面污染物和氧化物;然后在表面加工鉆孔(鉆孔直徑2mm，深度2mm，間距6.5mm);將粒徑I?I Ομπι的碳化硅顆粒加入甲醇中，混合均勻，獲得涂漿;將涂漿填入鉆孔中并壓實，然后在烘干箱內(nèi)進行低溫干燥處理去除甲醇；
[0023](2)如圖1所示，以鎢極氬弧作為熱源在鋁合金板的表面進行逐行掃描，單個熔池之間和相鄰掃描道間相互重疊搭接形成連續(xù)熔池，使鋁合金板的整個表層逐個區(qū)域快速熔化，同時在鎢極氬弧熱源后側(cè)將碳化硅粉末通過送粉裝置同步送入熔池中，用于補充由于鋁和碳化硅界面反應(yīng)造成的碳化硅粉末損失；最后自然冷卻，在鋁合金板的表面形成鋁碳化娃合金層；
[0024]TIG熱源的加工參數(shù)為:焊接電流50A，焊接電壓10?15V，焊接速度60mm/min;相鄰掃描道間重疊搭接率為50%;碳化硅粉末同步送粉速度為40mg/s;采用純氬氣(99.99%Ar)對恪池進行保護，氣流量為6L/min。
[0025](3)采用攪拌摩擦加工方法對鋁合金板表面的鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的鋁基碳化硅表層材料，具體步驟為:將樣品固定在攪拌摩擦加工設(shè)備工作臺上，采用帶有標(biāo)準螺紋的攪拌頭進行攪拌摩擦加工，所用攪拌工具的攪拌針長度為2.5mm，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2.5° ;攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度為900rpm/min，攪拌摩擦加工前進速度為80mm/min，壓入量為0.1mm;相鄰攪拌加工道次的搭接率為50%，對整個加工區(qū)域共進行2輪完整的攪拌摩擦加工。
[0026]如圖2所示，本實施例所得鋁基碳化硅表層材料的厚度約為2mm，碳化硅顆粒體積分數(shù)為7%，碳化硅顆粒細小均勻，并且與鋁基體結(jié)合良好。
[0027]實施例2
[0028]本實施例以鋁合金6061為基體材料(尺寸為100X 150mm平板，厚度10mm)，制備鋁基碳化硅表層材料，具體步驟如下:
[0029](I)首先對鋁合金板進行表面清潔，去除表面污染物和氧化物;然后在表面加工鉆孔(鉆孔直徑2mm，深度2.5mm，間距5mm);將粒徑I?I Ομπι的碳化硅顆粒加入甲醇中，混合均勻，獲得涂漿;將涂漿填入鉆孔中并壓實，然后在烘干箱內(nèi)進行低溫干燥處理去除甲醇；
[0030](2)如圖1所示，以鎢極氬弧作為熱源在鋁合金板的表面進行逐行掃描，單個熔池之間和相鄰掃描道間相互重疊搭接形成連續(xù)熔池，使鋁合金板的整個表層逐個區(qū)域快速熔化，同時在鎢極氬弧熱源后側(cè)將碳化硅粉末通過送粉裝置同步送入熔池中，用于補充由于鋁和碳化硅界面反應(yīng)造成的碳化硅粉末損失；最后自然冷卻，在鋁合金板的表面形成鋁碳化娃合金層；
[0031]TIG熱源的加工參數(shù)為:焊接電流70Α，焊接電壓10?15V，焊接速度80mm/min;相鄰掃描道間重疊搭接率為50%;碳化硅粉末同步送粉速度為65mg/s;采用純氬氣(99.99%Ar)對恪池進行保護，氣流量為7L/min。
[0032](3)采用攪拌摩擦加工方法對鋁合金板表面的鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的鋁基碳化硅表層材料，具體步驟為:將樣品固定在攪拌摩擦加工設(shè)備工作臺上，采用帶有標(biāo)準螺紋的攪拌頭進行攪拌摩擦加工，所用攪拌工具的攪拌針長度為2.5mm，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2.5° ;攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度為1000rpm/min，攪拌摩擦加工前進速度為100mm/min，壓入量為0.1mm;相鄰攪拌加工道次的搭接率為50%，對整個加工區(qū)域共進行2輪完整的攪拌摩擦加工。
[0033]如圖3所示，本實施例所得所得鋁基碳化硅表層材料的厚度約為2.5mm，碳化硅顆粒體積分數(shù)為12%，碳化硅顆粒細小均勻，并且與鋁基體結(jié)合良好。
[0034]實施例3
[0035]本實施例以鋁合金6061為基體材料(尺寸為10X 150mm平板，厚度10mm)，制備鋁基碳化硅表層材料，具體步驟如下:
[0036](I)首先對鋁合金板進行表面清潔，去除表面污染物和氧化物;然后在表面加工鉆孔(鉆孔直徑2mm，深度3mm，間距4mm);將粒徑I?ΙΟμπι的碳化硅顆粒加入甲醇中，混合均勻，獲得涂漿;將涂漿填入鉆孔中并壓實，然后在烘干箱內(nèi)進行低溫干燥處理去除甲醇；
[0037](2)如圖1所示，以鎢極氬弧作為熱源在鋁合金板的表面進行逐行掃描，單個熔池之間和相鄰掃描道間相互重疊搭接形成連續(xù)熔池，使鋁合金板的整個表層逐個區(qū)域快速熔化，同時在鎢極氬弧熱源后側(cè)將碳化硅粉末通過送粉裝置同步送入熔池中，用于補充由于鋁和碳化硅界面反應(yīng)造成的碳化硅粉末損失；最后自然冷卻，在鋁合金板的表面形成鋁碳化娃合金層；
[0038]TIG熱源的加工參數(shù)為:焊接電流90Α，焊接電壓10?15V，焊接速度100mm/min;相鄰掃描道間重疊搭接率為50% ;碳化硅粉末同步送粉速度為80mg/s;采用純氬氣(99.99%Ar)對恪池進行保護，氣流量為8L/min。
[0039](3)采用攪拌摩擦加工方法對鋁合金板表面的鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的鋁基碳化硅表層材料，具體步驟為:將樣品固定在攪拌摩擦加工設(shè)備工作臺上，采用帶有標(biāo)準螺紋的攪拌頭進行攪拌摩擦加工，所用攪拌工具的攪拌針長度為3mm，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2.5°;攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度為1200rpm/min，攪拌摩擦加工前進速度為10mm/min，壓入量為0.1mm；相鄰攪拌加工道次的搭接率為50%，對整個加工區(qū)域共進行3輪完整的攪拌摩擦加工。
[0040]如圖3所示，本實施例所得所得鋁基碳化硅表層材料的厚度約為3mm，碳化硅顆粒體積分數(shù)為16%，碳化硅顆粒細小均勻，并且與鋁基體結(jié)合良好。
【主權(quán)項】
1.一種鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)對鋁合金板進行表面清潔，然后在表面加工鉆孔;將碳化硅顆粒加入揮發(fā)性有機溶劑中，混合均勻，獲得涂漿;將涂漿填入鉆孔中并壓實，然后進行干燥處理去除揮發(fā)性有機溶劑； (2)以鎢極氬弧作為熱源在所述鋁合金板的表面進行逐行掃描，相鄰掃描道間相互重疊搭接形成連續(xù)熔池，使鋁合金板的整個表層逐個區(qū)域快速熔化，同時在鎢極氬弧熱源后側(cè)將碳化硅粉末同步送入熔池中，用于補充由于鋁和碳化硅界面反應(yīng)造成的碳化硅粉末損失;最后自然冷卻，在鋁合金板的表面形成鋁碳化硅合金層； (3)采用攪拌摩擦加工對鋁合金板表面的鋁碳化硅合金層進行固相機械攪拌，獲得碳化硅顆粒細小均勻的鋁基碳化硅表層材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于: 鎢極氬弧熱源的加工參數(shù)為:焊接電流20?100A，焊接電壓10?30V，焊接速度50?100mm /miη η3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中采用純氬氣對熔池進行保護，氣流量為5?15L/min。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中相鄰掃描道間的重疊搭接率為30?50%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中鉆孔的直徑2mm、深度2?3mm、相鄰鉆孔間隔4?6.5mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基碳化硅表層材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述攪拌摩擦加工的方式為:將樣品固定在攪拌摩擦加工設(shè)備工作臺上，用耐熱合金加工成攪拌工具，攪拌工具在樣品表面的攪拌加工前進速度為20?I OOmm/min，攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度是600?1200rpm/min，針對樣品的整個表層經(jīng)過2?3次逐個區(qū)域的攪拌，相鄰攪拌加工道次之間搭接量為40?50%。
【文檔編號】C23C24/10GK106086866SQ201610439540
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】華鵬, 周偉, 李先芬, 吳玉程
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)