[发明专利]一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，特别是一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置。

背景技术

铝及铝合金是除黑色金属外，人类应用最广泛的一种金属材料。铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等优异性能，在机械、建筑、交通、国防、航空航天、汽车等领域中广泛得到应用，已成为典型的结构材料。但铝合金也存在诸多问题，如：在有氯离子及碱性介质存在的情况下，极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏；硬度较低、摩擦系数高、磨损大，容易拉伤且难以润滑，导致耐磨性差；强度不高，易产生塑性变形。这些缺点在很大程度上限制了铝合金的应用。

铝合金表面强化是改善铝合金性能，从而扩大其在国防、航空航天、汽车、发动机、活塞等重要领域中应用的有效方法。目前，在诸多表面强化方法中，基本可以分为两类，一类是扩散覆层，另一类是熔覆层。扩散覆层表面强化的常用方法主要包括：阳极氧化、铬酸盐化学氧化、物理气相沉积、化学气相沉积、电弧喷涂、电镀以及微弧氧化等。但这些方法获得的强化层较薄（仅有几百微米），不致密，强化层与基体之间属机械结合界面或扩散结合界面，结合强度不高，容易产生开裂、脱落，直接导致耐磨性能的降低。熔覆层表面强化的典型手段是激光表面处理，可以在铝合金表面上获得厚而致密的强化层，且强化层与基体间属冶金结合，结合强度高，同时表面强化只对表层起作用，不影响基体的性质。但该类熔覆层表面强化技术均属于局部加热，且铝合金的导热系数大，因此熔覆层至基体热影响区容易产生较大的温度应力而出现微裂纹、气孔等缺陷，导致不能发生良好的冶金结合。

发明内容

本发明的目的是要提供一种复合陶瓷层表面强化的铝合金材料制备方法及装置，解决扩散覆层方法和熔覆层方法存在的结合强度不高、容易产生开裂、脱落及因温度应力而出现微裂纹、气孔缺陷，导致不能发生良好的冶金结合的问题。

本发明的目的是这样实现的：复合陶瓷层表面强化的铝合金材料及其制备方法：

a、采用高能球磨设备制备混合粉末, 混合粉末包括：Mg、Al、MgO、SiO₂、 Al₂O₃和SiC六种微粉，按照摩尔比7:6:3:3:7:3组成，粒度分布在0.6～1.6微米之间；

b、对基体铝合金依次经过表面砂纸打磨、丙酮超声波清洗、碱液清洗、中和、清水、烘干过程，去除表面结晶水氧化膜，对基体铝合金表面实现清洁处理；

c、采用电泳法将混合粉末涂覆于清洁处理后的基体铝合金表面，在基体铝合金表面涂覆混合粉末层；

d、将表面涂覆混合粉末层与基体铝合金一同置入微波烧结装置中，微波主频率为2450MHz，设置微波输出功率为1800W时，约20分钟内，将基体铝合金间接加热至600℃左右，而表面涂覆混合粉末层则直接吸收微波而被加热至950℃左右，两者同时被保持30分钟；表面涂覆混合粉末层在950℃左右下保持30分钟，在微波作用下，表面涂覆混合粉末层发生物理化学反应，物理化学反应完成后，生成多相组织复合陶瓷层，所述的多相组织复合陶瓷层包括SiC、SiO₂、Al₂O₃、MgAl₂O₄，晶粒尺寸分布于亚微米至纳米之间。

所述的微波烧结装置包括微波发生器、隔热层、保温层、上红外测温仪和下红外测温仪，以及吸波层、工件台和压紧弹簧；隔热层和保温层构成炉体，隔热层位于保温层外，在炉体的上端和侧面分别有上红外测温仪和下红外测温仪，在炉体的一侧有微波发生器插入至炉体内，在炉体内有专用烧结炉膛，专用烧结炉膛包括吸波层、工件台和压紧弹簧，吸波层为一腔体，工件台和压紧弹簧位于吸波层的腔体内，吸波层的腔体底面与工件台之间有压紧弹簧，在工件台上有基体铝合金和混合粉末层。