專利名稱：一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金材料及其制備方法，特別是一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備方法及裝置。
背景技術(shù)：
鋁及鋁合金是除黑色金屬外，人類應(yīng)用最廣泛的一種金屬材料。鋁合金具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、比剛度和比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，在機(jī)械、建筑、交通、國(guó)防、航空航天、汽車等領(lǐng)域中廣泛得到應(yīng)用，已成為典型的結(jié)構(gòu)材料。但鋁合金也存在諸多問題，如在有氯離子及堿性介質(zhì)存在的情況下，極易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等多種形式的破壞；硬度較低、摩擦系數(shù)高、磨損大，容易拉傷且難以潤(rùn)滑，導(dǎo)致耐磨性差；強(qiáng)度不高，易產(chǎn)生塑性變形。這些缺點(diǎn)在很大程度上限制了鋁合金的應(yīng)用。鋁合金表面強(qiáng)化是改善鋁合金性能，從而擴(kuò)大其在國(guó)防、航空航天、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、 活塞等重要領(lǐng)域中應(yīng)用的有效方法。目前，在諸多表面強(qiáng)化方法中，基本可以分為兩類，一類是擴(kuò)散覆層，另一類是熔覆層。擴(kuò)散覆層表面強(qiáng)化的常用方法主要包括陽極氧化、鉻酸鹽化學(xué)氧化、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電弧噴涂、電鍍以及微弧氧化等。但這些方法獲得的強(qiáng)化層較薄(僅有幾百微米)，不致密，強(qiáng)化層與基體之間屬機(jī)械結(jié)合界面或擴(kuò)散結(jié)合界面，結(jié)合強(qiáng)度不高，容易產(chǎn)生開裂、脫落，直接導(dǎo)致耐磨性能的降低。熔覆層表面強(qiáng)化的典型手段是激光表面處理，可以在鋁合金表面上獲得厚而致密的強(qiáng)化層，且強(qiáng)化層與基體間屬冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，同時(shí)表面強(qiáng)化只對(duì)表層起作用，不影響基體的性質(zhì)。但該類熔覆層表面強(qiáng)化技術(shù)均屬于局部加熱，且鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，因此熔覆層至基體熱影響區(qū)容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致不能發(fā)生良好的冶金結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備方法及裝置， 解決擴(kuò)散覆層方法和熔覆層方法存在的結(jié)合強(qiáng)度不高、容易產(chǎn)生開裂、脫落及因溫度應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋、氣孔缺陷，導(dǎo)致不能發(fā)生良好的冶金結(jié)合的問題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料及其制備方法
a、采用高能球磨設(shè)備制備混合粉末，混合粉末包括:Mg、Al、Mg0、Si02、Al2O3和SiC六種微粉，按照摩爾比7:6:3:3:7:3組成，粒度分布在O. 6 I. 6微米之間；
b、對(duì)基體鋁合金依次經(jīng)過表面砂紙打磨、丙酮超聲波清洗、堿液清洗、中和、清水、烘干過程，去除表面結(jié)晶水氧化膜，對(duì)基體鋁合金表面實(shí)現(xiàn)清潔處理；
C、采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體鋁合金表面，在基體鋁合金表面涂覆混合粉末層；
d、將表面涂覆混合粉末層與基體鋁合金一同置入微波燒結(jié)裝置中，微波主頻率為 2450MHz，設(shè)置微波輸出功率為1800W時(shí)，約20分鐘內(nèi)，將基體鋁合金間接加熱至600°C左右，而表面涂覆混合粉末層則直接吸收微波而被加熱至950°C左右，兩者同時(shí)被保持30分鐘；表面涂覆混合粉末層在950°C左右下保持30分鐘，在微波作用下，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合陶瓷層，所述的多相組織復(fù)合陶瓷層包括SiC、Si02、Al203、MgAl2O4,晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。所述的微波燒結(jié)裝置包括微波發(fā)生器、隔熱層、保溫層、上紅外測(cè)溫儀和下紅外測(cè)溫儀，以及吸波層、工件臺(tái)和壓緊彈簧；隔熱層和保溫層構(gòu)成爐體，隔熱層位于保溫層外，在爐體的上端和側(cè)面分別有上紅外測(cè)溫儀和下紅外測(cè)溫儀，在爐體的一側(cè)有微波發(fā)生器插入至爐體內(nèi)，在爐體內(nèi)有專用燒結(jié)爐膛，專用燒結(jié)爐膛包括吸波層、工件臺(tái)和壓緊彈簧，吸波層為一腔體，工件臺(tái)和壓緊彈簧位于吸波層的腔體內(nèi)，吸波層的腔體底面與工件臺(tái)之間有壓緊彈簧，在工件臺(tái)上有基體鋁合金和混合粉末層。有益效果由于采用了上述方案，首先所獲得的鋁合金材料，通過表面涂覆混合粉末層的組分設(shè)計(jì)，可以在鋁合金表面獲得一種由SiC、Si02、Al203、MgAl204組成的多相組織復(fù)合陶瓷層，該多相組織復(fù)合陶瓷層晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間，與鋁合金基體發(fā)生良好的冶金結(jié)合，從而使鋁合金具備較好的機(jī)械力學(xué)性能和防腐耐磨性能。其次，所應(yīng)用的制備方法，可以實(shí)現(xiàn)在同一微波場(chǎng)內(nèi)，鋁合金基體可以間接利用微波而被加熱，這充分利用了微波溫度均勻、高效節(jié)能、環(huán)保無污的加熱特點(diǎn)；而表面涂覆的混合粉末層則可以直接吸收微波而被加熱，這則充分利用了微波促進(jìn)相結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小、組織致密、性能更好的非熱效應(yīng)特點(diǎn)。總之，與目前其他諸多鋁合金表面強(qiáng)化方法相比，多相組織復(fù)合陶瓷層具有良好的防腐耐磨性能且與基體鋁合金發(fā)生良好的冶金結(jié)合，最終獲得一種多相多尺度、 防腐耐磨復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料。具有較好的機(jī)械力學(xué)性能和防腐耐磨性能。 解決了擴(kuò)散覆層方法和熔覆層方法存在的結(jié)合強(qiáng)度不高、容易產(chǎn)生開裂、脫落及因溫度應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋、氣孔缺陷，導(dǎo)致不能發(fā)生良好的冶金結(jié)合的問題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)
I.有效利用了微波加熱燒結(jié)的特性，加快了生產(chǎn)周期，降低了能耗，節(jié)約了成本。2.由于所采用的微波燒結(jié)裝置是可以在普通工業(yè)微波爐上配合使用的，因此大大降低了對(duì)工業(yè)微波爐的依賴及改造成本。3.所得鋁合金表面復(fù)合陶瓷層，可以通過表面涂覆混合粉末層的組分設(shè)計(jì)而獲得不同的相組成及晶粒尺寸等微觀特性，從而使復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料具備不同的宏觀力學(xué)性能。4.所得多相多尺度、防腐耐磨復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料機(jī)械力學(xué)性能、 防腐耐磨性能大幅提高。5.該方法制備效率高，溫度控制方便，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，所得新型的鋁合金材料機(jī)械力學(xué)性能、防腐耐磨性能較好。


圖I是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、微波發(fā)生器；2、隔熱板；3、保溫陶瓷層；4、上紅外測(cè)溫儀；5、表面涂覆混合粉末層；6、吸波層；7、基體鋁合金；8、工件臺(tái)；9、壓緊彈簧；10、下遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :
復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料及其制備方法
a、采用高能球磨設(shè)備制備混合粉末，混合粉末包括:Mg、Al、Mg0、Si02、Al2O3和SiC六種微粉，按照摩爾比7:6:3:3:7:3組成，粒度分布在O. 6 I. 6微米之間；
b、對(duì)基體鋁合金依次經(jīng)過表面砂紙打磨、丙酮超聲波清洗、堿液清洗、中和、清水、烘干過程，去除表面結(jié)晶水氧化膜，對(duì)基體鋁合金表面實(shí)現(xiàn)清潔處理；
C、采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體鋁合金表面，在基體鋁合金表面表面涂覆混合粉末層；
d、將表面涂覆混合粉末層與基體鋁合金一同置入微波燒結(jié)裝置中，微波主頻率為 2450MHz，設(shè)置微波輸出功率為1800W時(shí)，約20分鐘內(nèi)，將基體鋁合金間接加熱至600°C左右，而表面涂覆混合粉末層則直接吸收微波而被加熱至950°C左右，兩者同時(shí)被保持30分鐘；表面涂覆混合粉末層在950°C左右下保持30分鐘，在微波作用下，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合陶瓷層，所述的多相組織復(fù)合陶瓷層包括SiC、Si02、Al203、MgAl2O4,晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。所述的微波燒結(jié)裝置包括微波發(fā)生器I、隔熱層2、保溫層3、上紅外測(cè)溫儀4和下紅外測(cè)溫儀10，以及吸波層6、工件臺(tái)8和壓緊彈簧9、基體鋁合金7、混合粉末層5。隔熱層2和保溫層3構(gòu)成爐體，隔熱層2位于保溫層3外，在爐體的上端和側(cè)面分別有上紅外測(cè)溫儀4和下紅外測(cè)溫儀10，在爐體的一側(cè)有微波發(fā)生器I插入至爐體內(nèi)，在爐體內(nèi)有專用燒結(jié)爐膛，專用燒結(jié)爐膛包括吸波層6、工件臺(tái)8和壓緊彈簧9，吸波層6為一腔體，工件臺(tái)8和壓緊彈簧9位于吸波層6的腔體內(nèi)，吸波層6的腔體底面與工件臺(tái)8之間有壓緊彈簧9，在工件臺(tái)8上有基體鋁合金7和混合粉末層5。本發(fā)明的復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料及其制備方法首先，采用高能球磨設(shè)備制備混合粉末，混合粉末由Mg、Al、MgO, SiO2, Al2O3和SiC等微粉組成，粒度分布在
O.6 I. 6微米之間。并根據(jù)需要，添加防止氧化的防氧化劑；其次，對(duì)基體鋁合金進(jìn)行高清潔度的表面處理，依次經(jīng)過表面砂紙打磨、丙酮超聲波清洗、堿液清洗、中和、清水、烘干等過程，去除表面結(jié)晶水氧化膜；然后，將混合粉末進(jìn)行涂覆，即采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體鋁合金表面，形成表面涂覆混合粉末層；最后，進(jìn)行微波燒結(jié)和熔覆，即將表面涂覆混合粉末層與基體鋁合金一同置入微波燒結(jié)裝置中，微波爐的主頻率為 2450MHz，設(shè)置1800W的輸出功率，約20分鐘的升溫時(shí)間，將基體鋁合金間接加熱至600°C左右，而表面涂覆混合粉末層則直接吸收微波而被加熱至950°C左右，兩者同時(shí)被保持30分鐘。表面涂覆混合粉末層將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)，生成包括SiC、Si02、Al203、MgAl204 等的多相組織復(fù)合陶瓷層，且在微波的特殊作用下，其微觀相組織均勻、晶粒細(xì)小，主要分布于亞微米至納米之間，且該多相組織復(fù)合陶瓷層與基體鋁合金發(fā)生良好的冶金結(jié)合，具有較好的機(jī)械力學(xué)性能和防腐耐磨性能。而基體鋁合金在微波的間接作用下，被加熱至 600°C左右的溫度下，減小了與多相組織復(fù)合陶瓷層之間溫度差別，避免了兩者之間的溫度應(yīng)力，從而有利于兩者之間結(jié)合強(qiáng)度。圖I中，微波燒結(jié)裝置由微波發(fā)生器I、隔熱板2、保溫陶瓷層3、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀4 和10、吸波層6、工件臺(tái)8和壓緊彈簧9構(gòu)成，其中吸波層6、工件臺(tái)8和壓緊彈簧9形成一個(gè)專用燒結(jié)爐膛。在高溫環(huán)境中，吸波層6可以選用的微波吸波材料基本有三類，粉體類如SiC粉末等、塊體類如鐵氧體等和流體類微波吸波涂料。其中，粉體類SiC粉末可以利用透波非金屬材料封裝使用；微波吸波涂料可以方便的在塊體類吸波材料上進(jìn)行涂刷，從而改變吸波層6的厚度而改變鋁合金基體的溫度?；w鋁合金7的大小可以在一定范圍內(nèi)變化，從而滿足了不同尺寸工件的制備需要。彈簧9則可以將試樣臺(tái)8、基體鋁合金7和表面涂覆混合粉末層5與吸波層6壓緊，在同一微波場(chǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)基體鋁合金7被包埋于微波， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波的間接利用，主要發(fā)揮了微波加熱具有溫度均勻、高效節(jié)能、環(huán)保無污染等優(yōu)勢(shì)，而表面涂覆混合粉末層5則被暴漏于微波，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波的直接利用，有效利用了微波具有促進(jìn)相結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小、組織致密、性能更好的非熱效應(yīng)。溫度采集窗口及遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀4和10，分別用來測(cè)量涂覆混合粉末層5表面溫度和吸波層6的溫度，而吸波層 6與基體鋁合金7的溫度可以近似認(rèn)為相同，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于兩者溫度的監(jiān)控和調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備方法，其特征是復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料及其制備方法a、采用高能球磨設(shè)備制備混合粉末，混合粉末包括:Mg、Al、Mg0、Si02、Al2O3和SiC六種微粉，按照摩爾比7:6:3:3:7:3組成，粒度分布在O. 6 I. 6微米之間；b、對(duì)基體鋁合金依次經(jīng)過表面砂紙打磨、丙酮超聲波清洗、堿液清洗、中和、清水、烘干過程，去除表面結(jié)晶水氧化膜，對(duì)基體鋁合金表面實(shí)現(xiàn)清潔處理；C、采用電泳法將混合粉末涂覆于清潔處理后的基體鋁合金表面，在基體鋁合金表面涂覆混合粉末層；d、將表面涂覆混合粉末層與基體鋁合金一同置入微波燒結(jié)裝置中，微波主頻率為 2450MHz，設(shè)置微波輸出功率為1800W時(shí)，約20分鐘內(nèi)，將基體鋁合金間接加熱至600°C左右，而表面涂覆混合粉末層則直接吸收微波而被加熱至950°C左右，兩者同時(shí)被保持30分鐘；表面涂覆混合粉末層在950°C左右下保持30分鐘，在微波作用下，表面涂覆混合粉末層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)反應(yīng)完成后，生成多相組織復(fù)合陶瓷層，所述的多相組織復(fù)合陶瓷層包括SiC、Si02、Al203、MgAl2O4,晶粒尺寸分布于亞微米至納米之間。
2.一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備裝置，其特征是所述的微波燒結(jié)裝置包括微波發(fā)生器、隔熱層、保溫層、上紅外測(cè)溫儀和下紅外測(cè)溫儀，以及吸波層、工件臺(tái)和壓緊彈簧；隔熱層和保溫層構(gòu)成爐體，隔熱層位于保溫層外，在爐體的上端和側(cè)面分別有上紅外測(cè)溫儀和下紅外測(cè)溫儀，在爐體的一側(cè)有微波發(fā)生器插入至爐體內(nèi)，在爐體內(nèi)有專用燒結(jié)爐膛，專用燒結(jié)爐膛包括吸波層、工件臺(tái)和壓緊彈簧，吸波層為一腔體，工件臺(tái)和壓緊彈簧位于吸波層的腔體內(nèi)，吸波層的腔體底面與工件臺(tái)之間有壓緊彈簧，在工件臺(tái)上有基體招合金和混合粉末層。
全文摘要
一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料制備方法及裝置。復(fù)合陶瓷層是由SiC、SiO2、Al2O3、MgAl2O4等組成、晶粒尺寸分布在亞微米至納米間的多相組織；基本的生產(chǎn)工藝方法為將合適粒度、合適成分的混合粉末涂覆于清潔處理后的基體鋁合金表面，然后一并置入微波燒結(jié)裝置中加熱至合適溫度，表面涂覆混合粉末層發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)而生成由SiC、SiO2、Al2O3、MgAl2O4等組成、晶粒尺寸分布在亞微米至納米間的多相組織，并與基體鋁合金發(fā)生良好的冶金結(jié)合，形成一種復(fù)合陶瓷層表面強(qiáng)化的鋁合金材料；其所用微波燒結(jié)裝置由微波發(fā)生器、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀、隔熱板、吸波層、工件臺(tái)、壓緊彈簧等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金基體和表面涂覆混合粉末層在同一微波場(chǎng)內(nèi)同時(shí)被加熱。
文檔編號(hào)B22F7/04GK102601373SQ201210094568
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者莊全超, 沈承金, 王中明, 王延慶 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)