[发明专利]一种高性能Pb/Al涂层的制备方法

说明书

本发明涉及铝合金表面改性技术领域，特指一种电子束辐照球磨制备的Pb/Al涂层实现表面铅合金化的方法。具体是通过将Al块和所需涂镀的Pb粉末一同放入球磨机中混合球磨，在表面制备一层涂层，后采用强流脉冲电子束辐照技术相结合的方法，在Al表面制备具有较高硬度和极佳耐磨损的合金化层。

技术领域

本发明涉及铝合金表面改性技术领域，特指一种电子束辐照球磨制备的 Pb/Al涂层实现表面铅合金化的方法。具体是通过将Al块和所需涂镀的Pb粉末一同放入球磨机中混合球磨，在表面制备一层涂层，后采用强流脉冲电子束辐照技术相结合的方法，在Al表面制备具有较高硬度和极佳耐磨损的合金化层。

背景技术

由于比强度高，延展性好，密度低，导热性和导电性优异，铝(Al)及其合金已广泛应用于汽车，运动，航空航天和电子等各个行业。然而，硬度低，磨损性能和耐腐蚀性差等阻碍了其进一步的应用。为了克服这些问题，Al与其他金属元素的表面合金化被认为是一种有效的方法。众所周知，均质Al-Pb合金是以 Pb相作为润滑剂组分的常用Al基轴承合金，具有比强度高、摩擦磨损性能优异的特点，已被广泛用于Al-Sn轴承合金的替代材料，同时也是汽车、拖拉机和内燃机轴瓦的理想材料。其液态不互溶区间宽和组元密度差异大而导致的Al-Pb 合金冶金学方面的偏聚问题，使得诸如铸造的常规冶金方法难以合成均质的 Al-Pb合金。一些研究表明MA制备涂层法虽然在一定程度上改善了Pb偏析的情况但是制备的涂层疏松多孔，同时不可避免地会导致表面粗糙度较大，并且制备涂层与基体并不是冶金结合。因此，其表面合金化过程只有通过非平衡方法如气相沉积，离子注入和激光束等来实现。目前，气相沉积，离子注入和激光束表面合金化技术等均在Al-Pb合金上取得一定进展，然而气相沉积的结合强度较低且存在一定的气孔，离子束注入生产效率较低且注入系统复杂昂贵，激光表面合金化技术存在能量利用率低和设备运转成本高等问题。

在各种表面改性技术中，强流脉冲电子束(HCPEB)是一种新型材料载能束表面改性技术，近年来已被证明是材料表面处理的有效手段，并受到材料科学工作者的广泛关注，在脉冲电子束轰击材料的瞬时过程中，较高的能量(10⁸-10⁹W/cm²)在非常短的时间内(几纳秒到几微秒)作用在材料的表层，造成材料表面极为快速的加热和冷却，甚至使材料表层熔化、蒸发并快速凝固，在此过程中诱发的应力场能够引起材料表面快速而强烈的变形，从而造成特殊的改性效果。同时，可以在改性层中形成许多非平衡微结构，例如过饱和固溶体，纳米晶体和非晶相，这些通常是常规方法无法实现的。许多研究人员采用HCPEB辐照诱导的薄膜-基体系统的表面合金化进行了广泛的研究。Zou等发现，在用Al对AISI H13进行表面合金化处理后，部分预涂Al溶解到基板中形成饱和表面合金层，并且高温抗氧化性极大地提高。Allain-Bonasso等研究了Ti/Al体系，表明在HCPEB照射后获得了相当好的表面化学均匀性。张等人发现，由于W添加和改进的微观结构，辐照的W/Al系统的耐腐蚀性得到显著改善，以形成更稳定的钝化膜。因此， HCPEB技术是一种有前景的表面合金化方法，它能够提高合金表面硬度，耐磨性等性能，对于Al-Pb合金的应用价值有很重要的作用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种Al-Pb合金表面改性技术，以此改善Al合金的表面性能和延长其在特殊环境下的服役寿命。

本发明将Al块和所需纯铅粉末一同放入球磨机中混合球磨，在表面制备一层涂层。它借助高压冲击力作用预先将Pb粉末嵌入到Al基体表面形成一层Pb 薄膜层，并通过电子束处理来调整合金层表面组织结构，如提高致密度、细化晶粒、改善表面粗糙度，提升耐摩擦磨损性能和并提升硬度等，进而获得富Pb表面强化层，该组合工艺可以显著提高Pb膜的形成速率及与基体的结合强度，还使得Pb的分布均匀化，解决Pb元素的严重偏聚问题，最终改善Al-Pb层的摩擦服役寿命。

本发明的技术方案是：