專利名稱：鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的A1₂O₃+TiB₂復合涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的Al203+TiB2復合涂 層及其制備方法，屬于材料工程技術領域。
背景技術：
鋁合金是世界上用量最大的有色金屬材料，它廣泛應用于航空、航天和動力機 械中。但是，鋁合金的硬度很低，耐磨性能很差，應用范圍受到很大的限制。例如，將 發動機由原來的鑄鐵材料換成鋁合金后，由于鋁合金耐磨性差，將使發動機汽缸內壁與 活塞接觸的部分產生嚴重磨損，大大減少發動機的使用壽命。此外，同步器齒環、活塞 環等要求耐磨的零部件，采用鋁合金制造也達不到耐磨性的要求。
攪拌摩擦加工技術是一種新型制備金屬基復合材料的技術，它是利用攪拌頭造 成加工區域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實現材料微觀組織細化、均勻化和致密 化。攪拌摩擦加工過程就是將基體固定在剛性墊板上，通過對板材開槽的方式，將增強 材料預置于基體材料中。攪拌頭高速旋轉，在向下的壓力作用下，攪拌頭探針鉆入工件 表面，軸肩緊密接觸工件表面，直至壓入材料表面以下一定深度。高速旋轉的攪拌頭， 通過庫侖摩擦和剪切摩擦產生大量的熱量，使其附近的金屬溫度迅速升高，形成熔融狀 態，并產生材料大范圍的迅速遷移。攪拌頭高速旋轉的同時，沿著加工方向運動，置入 的增強材料被熔融的基體材料覆蓋、包裹，并被切割成很多個小體積的單元，這些單元 隨攪拌摩擦加工過程不斷運動，最終停留在攪拌頭加工過的區域內，完成固相加工過程 下復合材料的制備。
利用攪拌摩擦加工技術制備金屬基復合材料，與其他制備方法相比具有獨特的 優勢(1)其固相加工過程可以明顯降低金屬(尤其是鋁合金)孔洞的產生，且組織結構 致密、晶?？奢^大限度的被細化；( 在殘余變形與殘余應力方面，固相焊接過程中較 低的加熱溫度可使殘余變形與殘余應力均降底；( 在缺陷方面，可避免凝固裂紋與氣 孔。發明內容
本發明的目的之一在于提供一種鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的復 合涂層，具體為在鋁合金表面制備Al203+TiB2復合涂層。采用本發明的復合涂層結合強 度高，接合熱應力小，具有優異的耐磨性能。
本發明所述鋁合金表面制備的Al203+TiB2復合涂層厚度為0.1mm 2mm。
本發明的第二個目的在于提供給一種上述鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應 合成的Al203+TiB2復合涂層的制備方法。
為了實現本發明的目的，發明人通過大量試驗研究，最終獲得了如下方案
鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，包括以下步驟
(a)鋁合金表面除油和噴砂處理；
(b)粉料進行球磨，球磨時各粉末的百分比為30% 70%的TiO2粉末、 30% 70%的B2O3粉末，各組分之和為100% ；
(c)在鋁合金基體表面開出溝槽；
(d)將步驟(b)的混合粉末填充在開出的溝槽中；
(e)進行攪拌摩擦加工；
(f)對攪拌摩擦加工后的表面進行感應加熱。
上述的八1203+1132復合涂層的制備方法，所述球磨時間為1 50小時，球料比 為 10 20 1。
上述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，所述攪拌摩擦加工的攪拌頭的直徑為 Φ IOmm Φ 30mm,轉速為 200rpm 800rpm，移動速度為 10mm/min 100mm/min。
上述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，所述攪拌摩擦加工時在基體上開出的 溝槽，深為0.5mm 2mm，寬為0.5mm 2mm，溝槽間的間隙為0.5mm 1mm。
上述的八1203+11氏復合涂層的制備方法，所述感應加熱的工藝參數為加熱溫 度為650°C 700°C，加熱速度為10°C /S 20°C /S。
本發明的鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的Al203+TiB2復合涂層及其 制備方法具有如下有益的技術效果
本發明通過攪拌摩擦加工，使TiO2和B2O3粉末均勻分布在鋁合金表面層中。 經過感應加熱，產生化學反應3Ti02+3B203+10Al = 3TiB2+5Al2O3,獲得Al203+TiB2復 合涂層，涂層和基體間形成冶金結合界面。本發明獲得的Al203+TiB2復合涂層硬度> 1200HV,結合強度> 70MPa。
具體實施方式
以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案做進一步作描述，但是本發 明的保護范圍并不限于這些實施例。凡是不背離本發明構思的改變或等同替代均包括在 本發明的保護范圍之內。
實施例1Α1203+Τ Β2復合涂層的制備
基體材料鋁合金。
粉末組成的質量百分比為30%的TiO2粉末、70%的B2O3粉末。粉末粒度 10 μ m。
基體表面上所開溝槽的寬度為1mm，深度為1mm，溝槽間的間隙為0.5mm。
攪拌摩擦加工工藝參數攪拌頭直徑為Φ 10mm，轉速為300rpm，移動速度為 20mm/min。
感應加熱溫度為650°C，加熱速度為10°C /S。
實施例2八1203+1^2復合涂層的制備
基體材料鋁合金。
粉末組成的質量百分比為40%的TiO2粉末、60%的B2O3粉末。粉末粒度 15 μ m0
基體上溝槽的寬度為1.5mm，深度為1.5mm，溝槽間的間隙為0.7mm。
攪拌摩擦加工工藝參數攪拌頭直徑為Φ 15mm,轉速為500rpm，移動速度為 40mm/min。
感應加熱溫度為670°C，加熱速度為15°C /s。
實施例3八1203+1^2復合涂層的制備
基體材料鋁合金。
粉末組成的質量百分比為50%的TiO2粉末、50%的B2O3粉末。粉末粒度 20 μ m。
基體上溝槽的寬度為2mm，深度為2mm，溝槽間的間隙為1mm。
攪拌摩擦加工工藝參數攪拌頭直徑為Φ 20mm，轉速為600rpm，移動速度為 30mm/min。
感應加熱溫度為700°C，加熱速度為20°C/s。
經檢測，上述實施例1-3制備的Al203+TiB2復合涂層，其硬度> 1200HV，結合 強度 > 70MPa。
權利要求
1.鋁合金表面攪拌摩擦加工及加熱反應合成的Al203+TiB2復合涂層。
2.如權利要求1所述的Al203+TiB2復合涂層，其特征在于它的厚度為0.1mm 2mm。
3.權利要求1所述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，包括以下步驟(a)鋁合金表面除油和噴砂處理；(b)粉料進行球磨，球磨時各粉末的百分比為30% 70%的TiO2粉末、30% 70%的B2O3粉末，各組分之和為100% ；(C)在鋁合金基體表面開出溝槽；(d)將步驟(b)的混合粉末填充在開出的溝槽中；(e)進行攪拌摩擦加工；(f)對攪拌摩擦加工后的表面進行感應加熱。
4.根據權利要求3所述的八1203+1132復合涂層的制備方法，其特征在于所述球磨 時間為1 50小時，球料比為10 20 1。
5.根據權利要求3所述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，所述攪拌摩擦加工的攪 拌頭的直徑為Φ IOmm Φ 30mm,轉速為200rpm 800rpm，移動速度為10mm/min lOOmm/min。
6.根據權利要求3所述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，所述攪拌摩擦加工時在基 體上開出的溝槽，深為0.5mm 2mm，寬為0.5mm 2mm，溝槽間的間隙為0.5mm 1mm。
7.根據權利要求3所述的Al203+TiB2復合涂層的制備方法，所述感應加熱的工藝參數 為加熱溫度為650°C 700°C，加熱速度為10°C /s 20°C /s。
全文摘要
本發明涉及一種鋁合金表面Al2O3+TiB2復合涂層及其制備方法，首先，在鋁合金表面開出若干深為0.5mm～2mm，寬為0.5mm～2mm的溝槽，在溝槽中填充球磨好的含30％～70％TiO2、30％～70％B2O3混合粉末，再通過攪拌摩擦加工，使TiO2和B2O3混合粉末均勻分布在鋁合金的表面層中，最后對這一表面層進行感應加熱，產生化學反應3TiO2+3B2O3+10Al＝3TiB2+5Al2O3，獲得Al2O3+TiB2復合涂層，涂層和基體間形成冶金結合界面。本發明獲得的Al2O3+TiB2復合涂層硬度＞1200HV，結合強度＞70MPa。
文檔編號C23C24/00GK102021557SQ20101057089
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者周小平, 胡心彬 申請人:湖北工業大學