專利名稱：含Al-Zn-Si-RE-Ti的熱浸鍍鑄鋁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多種熱浸鍍鑄鋁合金及其制備方法，尤其是涉及多種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用于近海和海洋中的工程裝備越來越多，但其服役條件按ISO 9225環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)一般>C5級，屬于極端惡劣環(huán)境。所述環(huán)境大氣多雨、高溫、多鹽霧和強風(fēng)流，裸露在外的零件將受到強烈的大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及氣流沖刷侵蝕的綜合作用，各種鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命遠(yuǎn)低于一般內(nèi)陸戶外環(huán)境。例如，當(dāng)前風(fēng)能已經(jīng)日漸成為技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。但由于風(fēng)力發(fā)電機組是利用風(fēng)能發(fā)電，而在海岸線、離岸海洋中具有豐富的風(fēng)力資源， 因此風(fēng)電場的建設(shè)有很大比例是選址在近海岸或離岸海洋中。但在海洋氣候條件下服役的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由于機組的外部構(gòu)件如機艙、引擎罩、塔架等直接裸露于極端的腐蝕大氣中， 采用常規(guī)的防護措施，往往僅數(shù)個月便產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，因此，目前迫切需要解決耐海洋氣候的工程零件防腐處理用的涂層的耐腐蝕問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中這些問題，本發(fā)明提供多種適合于耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄造鋁合金及其制造方法。首先，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、RE和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自TiO2, CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為=Zn 35 58%, Si 0.3 4.0%，RE 0. 02 1. 0%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 01 1.0%，余量為 Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、Mg、RE和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si :0. 3 4. 0 %，Mg :0. 1 5. 0 %，RE :0. 02 1. 0 %，納米氧化物顆粒增強劑總的含量 0. 01 1. 0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、RE、Ni和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si :0. 3 4. 0 %，RE 0. 02 1. 0 %，Ni :0. 1 3. 0 %，納米氧化物顆粒增強劑總的含量 0. 01 1. 0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、RE、Ti和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si :0. 3 4. 0%，RE 0. 02 1. 0%，Ti :0. 01 0. 5%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量
0.01 1.0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、Mg、RE、Ni和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si 0. 3 ~ 4. 0%, Mg 0. 1 5. 0%，RE :0. 02 ~ 1. 0%, Ni :0. 1 3. 0%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 01 1. 0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、Mg、RE、Ti和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si 0. 3 4. 0%，Mg :0. 1 5. 0%，RE :0. 02 1. 0%, Ti :0. 01 0. 5%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 01 1. 0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。再者，本發(fā)明提供的一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、ai、Si、RE、Ti、Ni和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%， Si 0. 3 4. 0%，RE 0. 02 1. 0%, Ti :0. 01 0. 5%, Ni :0. 1 3. 0%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 01 1. 0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。其中，RE是稀土元素的任一種或幾種。優(yōu)選的，如果采用的納米氧化物顆粒是均勻的球體顆粒，則球體比表面積和平均粒徑滿足如下關(guān)系式
比表面積=一@一 (m2/力 p-D其中D代表平均粒徑；ρ代表密度。如果采用的納米氧化物顆粒比一般的球體顆粒形狀復(fù)雜一些，涂層的性能、效果可以更加理想，因此，本發(fā)明進一步優(yōu)選的納米氧化物顆粒的比表面積要大于上述公式計
算值優(yōu)選的，納米氧化物顆粒采用TiA時，所述TiA的平均粒徑為15 60nm。優(yōu)選的，納米氧化物顆粒采用TW2時，所述TW2的比表面積為20 90m2/g。優(yōu)選的，納米氧化物顆粒采用( 時，所述( 的平均粒徑為25 70nm。優(yōu)選的，納米氧化物顆粒采用( 時，所述( 的比表面積為10 80m2/g。優(yōu)選的，納米氧化物顆粒增強劑為TW2和CeA時，TW2和質(zhì)量比為1 (1 3)。更優(yōu)選的，其中TiO2和CeO2質(zhì)量比為1 2。優(yōu)選的，其中各組成成份占總質(zhì)量百分比為Ζη:41 51%，Si :1 3.2%，Mg
1.8 4%，RE 0. 05 0. 8%, Ni :1. 5 2. 6%, Ti :0. 05 0. ，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 05 0. 8%。
另外，本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Zn、Si、RE 和納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至 830°C 850°C后加；經(jīng)降溫至750 700°C后加入納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Zn、Si、Mg、RE和納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入Mg與納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到 700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Si、Si、RE、Ni、納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ni ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Zn、Si、RE、Ti、納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ti ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Zn、Si、Mg、RE、Ni 和納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至 830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ni ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入 Mg與納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、Zn、Si、Mg、RE、Ti、納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ti ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入Mg與納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。本發(fā)明還提供一種制造所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、&i、Si、RE、Ti、Ni、納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ni和Ti ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。優(yōu)選的，所述加熱過程中的升溫速率為10 40°C /分鐘，所述降溫過程中的降溫速率為20 60°C /分鐘。本發(fā)明提供的抗海洋氣候腐蝕的熱浸鍍鑄鋁合金，其中Al是抗大氣腐蝕的金屬， Ai在空氣中會很快在表面形成一層致密的氧化膜，并具有快速的自修復(fù)損傷的能力；ai具有低的電極電位，作為犧牲陽極，可賦予鋼鐵充分的抗電化學(xué)腐蝕能力。然而如果鋅的含量過高，則涂層的韌性和硬度都會有所降低，從而降低了涂層抵抗大氣腐蝕以及氣流沖刷侵蝕能力。為了克服這一問題，本發(fā)明通過添加一定量的納米氧化物顆粒增強劑，極大地細(xì)化了涂層的晶粒，改善了涂層的韌性，提高了涂層抵抗大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及氣流沖刷侵蝕的能力，并且還顯著提高了涂層的強度、硬度，從而賦予涂層更好的抗沖刷性能。進一步的，在大量反復(fù)實驗、篩選后，通過選擇合適的納米氧化物顆粒增強劑的粒徑和比表面積，可以更加顯著的提高涂層的性能，除此之外，納米氧化物顆粒增強劑的粒徑采用本發(fā)明的數(shù)值范圍，還可以使涂層的耐磨度大大提高，而納米氧化物顆粒增強劑的比表面積采用本發(fā)明的數(shù)值范圍，可以使合金的聚集度大大提高，從而更加顯著的提高合金涂層的抗沖刷性能。在此基礎(chǔ)上，還通過添加Mg、Ni、Ti等微合金元素，這些微合金元素的加入可以更加細(xì)化晶粒，進一步提高涂層的強韌性和耐腐蝕性，其中Mg可以提高合金的親和力、耐腐蝕性和提高合金的室溫強度，而Ni不僅可以進一步對合金起到固溶作用，還可以進一步改善合金的韌性和穩(wěn)定性，而Ti則加強了涂層中的強化相，并對合金起到固溶作用。綜上所述，采用本發(fā)明所生產(chǎn)的鑄鋁合金作涂層，可在海洋氣候條件下賦予其充分耐腐蝕性能和抗沖刷侵蝕性能。另一方面，本發(fā)明還提供了一種采用多溫度段添加熱浸鍍合金元素的方法，采用該方法，隨著溫度的提高，可以有利于提高納米氧化物顆粒增強劑及各種元素的分散性，從而改善了涂層成分的均勻性，顯著地提高了涂層與基體的結(jié)合強度。然而，如果在熔體溫度過高的時候加入所有元素，涂層易形成高鋁脆性相，不利于承擔(dān)接觸微動載荷。為此，本發(fā)明采用先多溫度段添加部分熱浸鍍合金元素，再將溫度降低到一定溫度后再添加納米氧化物顆粒增強劑，最后再降溫并保溫一定時間，這樣就克服了上述缺陷，獲得了成分均勻，韌性較好的涂層。綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，涂層抵抗大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及氣流沖刷侵蝕能力顯著提高，并且涂層的強度、硬度，抗沖刷性能也都得以顯著提高，另外涂層與基體結(jié)合牢固，完全適用于海洋等極端惡劣的環(huán)境。另一方面，本發(fā)明的生產(chǎn)工藝簡化，并且還能獲得成分均勻，韌性較好的涂層。而且，合金中的主要成份鋁、鋅等元素都是自然界蘊藏豐富的合金元素，因此，材料成本低廉，而且環(huán)保、節(jié)能。采用本發(fā)明的合金作鍍層，厚度可調(diào)整范圍廣，適合各種尺寸零件的處理。
具體實施例方式本發(fā)明提供的耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si等和納米氧化物顆粒增強劑及不可避免的雜質(zhì)組成，其中該不可能避免
6的雜質(zhì)通常是Fe、Mn、Pb、Sn、Cd等無法徹底去除的雜質(zhì)元素。進一步的，在大量反復(fù)實驗、篩選后，通過選擇合適的納米氧化物顆粒增強劑的粒徑和比表面積，可以更加顯著的提高涂層的性能，如果采用的納米氧化物顆粒是均勻的球體顆粒，則球體比表面積和平均粒徑滿足如下關(guān)系式
比表面積=」一 (m2/g) ρ· D其中D代表平均粒徑；P代表密度。進一步，如果采用的納米氧化物顆粒比一般的球體顆粒形狀復(fù)雜一些，涂層的性能、效果可以更加理想，因此，本發(fā)明優(yōu)選的納米氧化物顆粒的比表面積要大于此公式計算值。下面，結(jié)合表1-21給出本發(fā)明各組成成份質(zhì)量百分比的一些優(yōu)選實施例，但本發(fā)明的各組成成份的含量不局限于該表中所列數(shù)值，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，完全可以在表中所列數(shù)值范圍的基礎(chǔ)上進行合理概括和推理。并且需要特別說明的是，盡管表1-21中同時列出了納米氧化物顆粒增強劑的粒徑、比表面積的相關(guān)數(shù)值，但這兩個條件并不是作為必要技術(shù)特征加以描述的。對于本發(fā)明而言，核心的內(nèi)容在于通過添加一定量的納米氧化物顆粒增強劑微合金元素而達(dá)到細(xì)化涂層的晶粒、改善其韌性、提高其各種耐腐蝕能力、克服鋅含量過高所帶來的不良影響的目的。而在此基礎(chǔ)上，通過進一步選擇合適的粒徑、合適的比表面積都只是為了使這一技術(shù)效果更突出，更優(yōu)越，因此，盡管下述表1-21中均同時列出的這兩個參數(shù)，但都只是作為更優(yōu)選的條件，都是為了更詳細(xì)的給出關(guān)于本發(fā)明的技術(shù)信息，而并非是作為本發(fā)明的必要條件加以描述。實施例1 一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其由Zn、Al、Si、RE和 TiO2納米氧化物顆粒增強劑組成，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn :35 58%，Si :0. 3 4.0%, RE 0. 02 1.0%, TiO2 :0.01 1.0%, Al 余量，及不可避免的雜質(zhì)，具體的質(zhì)量百分比含量及相關(guān)參數(shù)見下表1 表1 各組成成份占總重量的質(zhì)量百分比含量(％ )及相關(guān)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述鑄鋁合金由Al、 ai、Si、RE、Ti和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自Ti02、Ce&中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為=Zn :35 58%，Si :0. 3 4. 0%，RE :0. 02 1.0%,Ti :0.01 0.5%，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0.01 1.0%，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中納米氧化物顆粒增強劑是均勻的球體顆粒，且納米氧化物顆粒增強劑的比表面積和平均粒徑滿足如下關(guān)系式比表面積(m2/g)=i p-D其中D代表平均粒徑； P代表密度。
3.如權(quán)利要求1所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述TiA的平均粒徑為15 60nm。
4.如權(quán)利要求1或3所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述TW2的比表面積為20 90m2/g°
5.如權(quán)利要求1所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述( 的平均粒徑為25 70nm。
6.如權(quán)利要求1或5所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中所述CeO2的比表面積為10 80m2/g°
7.如權(quán)利要求1所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中納米氧化物顆粒增強劑為TiO2和CeO2, 且TiO2和CeO2質(zhì)量比為1 (1 3)。
8.如權(quán)利要求1所述的熱浸鍍鑄鋁合金，其中各組成成份占總質(zhì)量百分比為Ζη: 41 51%，Si :1 3. 2%，RE :0. 05 0. 8%，Ti :0. 05 0. ，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0. 05 0. 8%。
9.一種制造權(quán)利要求1所述熱浸鍍鑄鋁合金的方法，根據(jù)Al、&i、Si、RE、Ti、納米氧化物顆粒增強劑的質(zhì)量百分比備料，先在真空或氣氛保護爐中將Al加熱升溫至700 750°C 溶化，攪拌均勻，加入Si ；然后升溫至800 840°C后加RE ；再加熱升溫至830°C 850°C后加Si ；再加熱升溫至850°C 880°C后加Ti ；經(jīng)降溫至750 700°C后加入納米氧化物顆粒增強劑；再將溫度降低到700 650°C經(jīng)攪拌均勻后靜置10 35分鐘后澆鑄或壓鑄成錠。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，所述加熱過程中的升溫速率為10 40°C/分鐘，所述降溫過程中的降溫速率為20 60°C /分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐海洋氣候工程零件防腐處理用的熱浸鍍鑄鋁合金及其制備方法，其中所述鑄鋁合金由Al、Zn、Si、RE、Ti和納米氧化物顆粒增強劑組成，所述納米氧化物顆粒增強劑選自TiO2、CeO2中的一種或兩種，各組成成份占總質(zhì)量百分比為Zn35～58％，Si0.3～4.0％，RE0.02～1.0％，Ti0.01～0.5％，納米氧化物顆粒增強劑總的含量0.01～1.0％，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)，采用本發(fā)明所生產(chǎn)的鑄鋁合金作涂層，可在海洋氣候條件下賦予其充分耐腐蝕性能和抗沖刷侵蝕性能。
文檔編號C23C2/12GK102337489SQ201110277568
公開日2012年2月1日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者馮立新, 張敏燕, 繆強 申請人:江蘇麟龍新材料股份有限公司