一种铝及铝合金基体氮化铝增强梯度复合材料表面层

技术领域：

本发明涉及一种铝及铝合金基体氮化铝增强梯度复合材料表面层，属于表面材料制备及表面加工技术领域。

背景技术：

铝及铝合金具有塑性和成型性好，导电、导热性好，耐蚀性好等优点，用量仅次于钢铁材料。但铝及铝合金硬度低、耐磨性差，应用范围受到限制，因此一直在研究有效的强化方法。例如，以AlN和TiC粒子作为增强相制备成性能优异的整体铝基复合材料(崔春翔，吴人洁.原位AlN-TiC粒子增强铝基复合材料.金属学报，1996，32(1)：101-104)。除了整体强化铝及铝合金之外，在铝基体表面形成铝氮化物(AlN)层可以显著提高表面硬度，改善耐磨性。表面氮化方法有反应溅射、化学气相沉积、离子注入和等离子体渗氮等(胡平，蒙继龙.铝及铝合金的等离子体渗氮研究进展.金属热处理，2000年，第4期：1-4)。但是，由于铝的特殊性质及工艺的限制，得到的氮化层厚度都偏小，一般都只有几个微米，效果较好的微波等离子体渗氮和射频等离子体渗氮的氮化层厚度也小于20μm。

近年来，铝合金表面陶瓷化技术倍受关注，采用溶胶-凝胶、阳极氧化、等离子微弧氧化等方法，制备出既有铝合金基体金属强度和韧性，又有陶瓷膜层耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料。例如，采用溶胶-凝胶法在铝合金表面制备了0.25μm厚的SiO₂膜层，可以提高铝合金的耐蚀性。阳极氧化处理后在铝合金表面形成致密的Al₂O₃薄膜，厚度可达35μm～40μm，等离子微弧氧化方法可以制备出200～300μm的Al₂O₃陶瓷膜层(滕敏，李垚，赫晓东.铝合金材料表面改性研究进展.宇航材料工艺，2004年，第3期：12-17)。

采用激光熔覆技术进行铝合金表面改性处理可以获得较厚的表面熔覆层和梯度层。激光熔覆处理使用Ni基、Cu基、Co基、Fe基等粉末类型，例如，用Ni基Ni-4％Al粉以及加入TiC的Ni-Al粉，在铸造Al-Si合金上进行激光熔覆，可以获得厚度为1mm熔覆层，硬度达到800HV，熔覆层的微观结构是Al₃Ni和Al₃Ni₂枝晶，TiC未熔化呈随机分布。用Cu基粉末激光熔覆于3003铝合金上，可以获得无裂纹、冶金结合良好的熔覆层，其厚度在1.2mm～2.5mm之间，硬度为335HV(滕敏，李垚，赫晓东.铝合金材料表面改性研究进展.宇航材料工艺，2004年，第3期：12-17)。为了提高铝合金的表面性能，获得较大厚度表面层，上海交通大学采用激光熔覆方法用5kW的CO₂激光器对铸造铝硅合金表面进行两次激光辐照，先后将不同成分的预置合金粉末和基体材料一起熔化后迅速凝固，可以获得Cr/WC及Ni/WC激光表面梯度层(赵涛，陈秋龙，蔡珣，钱红斌.铝硅合金表面激光Cr/WC梯度层组织及抗微动磨损性能研究.金属热处理，2001年，第3期：30-32，45)。

综上可见，制备整体铝基复合材料或者在铝基体表面制备氮化物(如AlN)及氧化物(如SiO₂、Al₂O₃)膜层，以及制备不同成分的厚度较大的激光表面梯度层，是提高铝及铝合金性能的有效途径。

由于复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料，一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。而金属基复合材料按增强体形式分类，如颗粒增强、短纤维与晶须增强以及连续纤维增强等。在该领域，铝基复合材料较成熟的是碳化硅和氧化铝颗粒增强铝基复合材料。按照梯度材料“是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料”的概念，在铝及铝合金基体表面制备的表面层，有可能同时具有梯度材料和复合材料的性质。

发明内容：

铝及铝合金是应用广泛的工程结构材料，但硬度低、耐磨性差，应用范围受到很大限制。本发明的目的是提供一种铝及铝合金基体氮化铝增强梯度复合材料表面层，在铝及铝合金表面制备厚度较大的、氮化铝增强的、同时具有梯度和复合材料性质的表面层，提高铝及铝合金的硬度和耐磨性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明的铝及铝合金基体氮化铝增强梯度复合材料表面层制备原理是，采用氮电弧直接作用于铝合金基体，使其表面局部熔化，电弧气氛中的N元素(N的离子、原子和分子)溶解进入高温熔池，Al与N元素发生氮化反应Al+N→AlN，原位生成的AlN作为增强相与铝合金基体组成表面强化层。

由于表面层底部形成的AlN枝晶较多，N含量较高；在AlN枝晶间及表面层上部形成了AlN与Al固溶体层状分布的叠层复合材料，N含量较低；因此，可以认为是氮化铝增强梯度材料和复合材料表面层。

主要工艺及分析步骤如下：

1)对铝合金基体需处理的部位进行表面清理，如用丙酮等溶剂去除油污。

2)使用氩弧焊接设备通入氮气和氩气的混合气体，焊枪固定在自动行走机构上，在钨极和铝合金基体之间引燃电弧，调节电弧电流为90-110A，以合适的行走速度对铝合金基体进行表面氮化处理。

3)控制每道间的搭接量约为30％，使表面氮化层较平整。

4)金相分析发现，对纯Al和Al-Si合金进行氮电弧表面氮化处理后，可以获得厚度为0.13-0.3mm的AlN增强铝基梯度复合材料表面层。表面层底部形成的AlN增强相数量较多，呈枝晶状(见图1a)；在AlN枝晶间和表面层上部形成了AlN与Al固溶体层状分布的叠层复合材料(见图1b)。从图1微观组织形貌与N元素的分布可以看出，AlN枝晶和层状AlN位置的N含量明显高于纯铝基体及Al固溶体。

5)表面层硬度和耐磨性比基体有明显提高。

本发明相对于现有技术具有的优点和进步

本发明采用工艺简便的氮电弧熔化铝合金基体，使熔池中的Al与N元素发生氮化反应Al+N→AlN，获得“AlN增强梯度复合材料表面层”。这种表面层与反应溅射、化学气相沉积、离子注入和等离子体渗氮等方法制备的薄表面氮化(AlN)层相比，厚度较大(0.13-0.3mm)，具有表面梯度复合材料的微观结构特点，最高显微硬度可以达到720HV(纯铝基体)或1086HV(铝硅基体)，耐磨性比基体提高5倍以上。

等离子微弧氧化等铝合金表面陶瓷化技术也可以获得较厚的表面层，但均为各种氧化物陶瓷膜层，而且微观结构不相同。铝合金激光熔覆表面改性处理可以获得较厚的表面熔覆层和梯度层，但其表面层为Ni基、Cu基、Co基或Fe基材料，以金属间化合物及碳化物为强化相，微观结构也不相同。

附图说明

图1纯铝基体AlN增强梯度复合材料表面层典型组织及N元素分布；

(a)底部AlN枝晶，

(b)AlN与Al的固溶体层状分布组织。

图2纯铝基体AlN增强梯度复合材料表面层微观结构，

电弧氮化条件：75％氮气和25％氩气，电弧电流110A，行走速度2.5mm/s。

图3纯铝基体AlN增强梯度复合材料表面层微观结构，

电弧氮化条件：50％氮气和50％氩气，电弧电流110A，行走速度2.5mm/s。

图4铝硅合金基体AlN增强梯度复合材料表面层微观结构，

(a)表面层低倍形貌，

(b)层状分布组织高倍形貌，

电弧氮化条件：100％氮气，电弧电流110A，行走速度2.5mm/s。