專利名稱：超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法。該方法是通過采用真空磁控濺射鍍膜和強(qiáng)流脈沖電子束輻射加熱相結(jié)合的方法在超高強(qiáng)鋁合金的表面形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蝕性的合金化層，屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
早在20世紀(jì)30年代，人們就開始研究超高強(qiáng)度鋁合金，但由于該系合金存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象而未得到實(shí)際應(yīng)用。直到20世紀(jì)40年代初，CiuCr和Mn等元素的加入顯著地改善了該系合金的抗應(yīng)カ腐蝕和抗剝落腐蝕性能，美國和前蘇聯(lián)相繼開發(fā)出7075超高強(qiáng)度鋁合金，用于制造飛機(jī)部件。在7075合金的基礎(chǔ)上，為了獲得良好的綜合性能，増加合金中Zn、Mg元素的含量，降低合金中的Fe和Si等雜質(zhì)含量和提高合金元素Cu的含量及Zn/Mg比，分別成功的研制出了 7178、7050、7150、7175、7475和7A55等超高強(qiáng)度鋁合金，并成功的用于制造波音767、波音777和空客A310等飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。到90年代末，美國、英國、日本等エ業(yè)發(fā)達(dá)國家利用噴射成形技術(shù)開發(fā)出了含鋅量在8%以上(最高達(dá)14%)，抗拉強(qiáng)度為760 810MPa，延伸率為8% 13%的新一代超高強(qiáng)度鋁合金，用于制造交通運(yùn)輸領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件及其他高應(yīng)カ結(jié)構(gòu)。國內(nèi)超高強(qiáng)度鋁合金的研究開發(fā)起步較晚20世紀(jì)80年代初，東北輕合金加工廠和北京航空材料研究所開始研制超高強(qiáng)度高韌鋁合金。目前，在普通7XXX系鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用方面已進(jìn)入到實(shí)用化階段，產(chǎn)品主要包括7A04、7075、7175和7050等超高強(qiáng)度鋁合金，用于各種航空器結(jié)構(gòu)件和汽車摩托車等交通運(yùn)輸方面的制造。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及エ業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，超高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品因具有強(qiáng)度高、重量輕、加工性能好和尺寸穩(wěn)定性能好等良好的綜合機(jī)械性能特點(diǎn)，在航空、航天、兵器、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)エ業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。超高強(qiáng)鋁合金的表面的耐腐蝕和耐磨性也得到越來越多的關(guān)注和研究。目前，在鋁合金表面制備耐磨涂層的方法通常是在鋁合金表面噴涂ー層粘結(jié)底層，再噴涂氧化物陶瓷工作層，制備出Ni/Al-Al203、NiCrAl_Al203、Ni -Al2O3等復(fù)合涂層，但是這種方法制備出來的涂層結(jié)合強(qiáng)度低，并且表面容易形成氧化膜。發(fā)明人為李福泉等，授權(quán)公告號(hào)CN 100549233A的發(fā)明專利，通過電弧輔助激光熔注陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁或鋁合金表面。發(fā)明人為郭志猛等、專利名稱為“ー種鋁合金表面涂敷耐磨涂層的方法”，其授權(quán)公告號(hào)CN 100408724A，其公開了通過在反應(yīng)原料中加入過量的鋁，利用自蔓延反應(yīng)放出的熱量使表面的鋁表面的氧化膜熔解，在離心カ的作用下將氧化物分離。該方法只適合管類構(gòu)件的內(nèi)表面獲得耐磨涂層，并且因鋁合金的導(dǎo)熱作用，難以使鐵鋁金屬間化合物與鋁基體良好結(jié)合。發(fā)明人為孫榮祿等、授權(quán)公告號(hào)CN 100491593A的發(fā)明專利，公開了ー種高能密度激光重熔表面熔覆SiC/Al-Si粉末的鋁合金表面強(qiáng)化方法，在鋁合金基體上獲得表面質(zhì)量良好、高耐磨和高硬度的強(qiáng)化涂層。然而以上這些方法都是采用陶瓷粉末來提高鋁合金的耐磨性，不能從本質(zhì)上解決高熔點(diǎn)陶瓷層帶來的結(jié)合界面裂紋和開裂的問題。為了避免陶瓷的影響，田永生等發(fā)明了ー種鋁合金表面原位生成鋁化物強(qiáng)化層的方法，其授權(quán)公告號(hào)為CN101532141A，通過將一定比例的鎳鈦合金粉末與聚こ烯醇溶液混合后，噴涂于鋁合金基材表面，并利用激光掃描獲得附有強(qiáng)化層的鋁合金基材，進(jìn)而大幅度提高鋁合金的耐磨性能。
目前，超高強(qiáng)度鋁合金的耐腐蝕層制備方法以陽極氧化為主。然而鋁合金陽極氧化工藝復(fù)雜，容易受到化學(xué)反應(yīng)池中多種化學(xué)和物理因素的影響導(dǎo)致耐腐蝕性能不穩(wěn)定，并且陽極氧化工藝不符合當(dāng)前的環(huán)保和節(jié)能要求。發(fā)明人為胡益民等、授權(quán)公告號(hào)為CN101693995A的發(fā)明專利，采用化學(xué)反應(yīng)法在鋁合金表面形成了具有一定納米厚度的含鈷元素的鈍化層和噴涂聚合物保護(hù)層提高了鋁合金表面的防腐蝕特性。胡永俊等(授權(quán)公告號(hào)CN 101319316 B)發(fā)明了ー種不經(jīng)過浸鋅處理在鋁合金表面化學(xué)鍍鎳的エ藝，解決了エ藝復(fù)雜、耐腐蝕性能差的問題。強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB )是近年來發(fā)展起來的ー種新型高效表面處理技術(shù)，是以加速電子為能量載體的新型高能密度荷電粒子束流。強(qiáng)流脈沖電子束比脈沖離子束易于引出和控制，裝置簡單可靠；在相同加速電壓下，電子束射程遠(yuǎn)，有利于形成較厚的改性層。強(qiáng)流脈沖電子束照射金屬材料時(shí)不存在脈沖激光束的能量反射問題，能量吸收率受材料成份和表面形態(tài)的影響小。強(qiáng)流脈沖電子束是在真空環(huán)境中完成，可有效抑制材料的高溫氧化和污染等問題。因此，強(qiáng)流脈沖電子束表面處理能得到傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)所不能達(dá)到的改性效果，在材料表面改性、表面合金化等方面都有很好的應(yīng)用前景。盡管許多研究者采用表面噴涂或化學(xué)反應(yīng)法提高鋁合金耐腐蝕性，激光熔覆提高鋁或鋁合金表面耐磨性等進(jìn)行了大量的研究，然而沒有人采用真空磁控濺射鍍合金膜和強(qiáng)流脈沖電子束輻射加熱相結(jié)合的方法對(duì)超高強(qiáng)鋁合金表面進(jìn)行合金化改性的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將提高鋁合金耐磨性和耐蝕性Cu和Cr等高熔點(diǎn)合金元素通過真空感應(yīng)熔煉法制備Cu-Cr合金靶材，然后采用強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備對(duì)表面真空磁控濺射鍍Cu-Cr合金膜的超高強(qiáng)鋁合金進(jìn)行表面合金化處理的超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法；經(jīng)處理后，在超高強(qiáng)鋁合金基體的表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好，與超高強(qiáng)鋁合金基體有良好結(jié)合力的合金化層。本發(fā)明的技術(shù)方案如下超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法，其包括如下步驟(I)真空感應(yīng)熔煉法制備Cr Wt. %含量為3 20 Wt. %的Cu-Cr合金鑄錠，去掉表皮并鋸斷成圓片狀，圓片狀Cu-Cr合金的表面進(jìn)行打磨處理，光滑平整井清洗干凈后固定安裝在磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上；
(2)用砂紙對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的表面進(jìn)行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用こ醇溶液滴在試樣的表面，吹干其表面，吹干后試樣的表面；將表面干凈的超高強(qiáng)鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設(shè)備真空室中；
(3)開啟磁控濺射鍍膜設(shè)備，抽真空至P〈lX10_3Pa，在超高強(qiáng)鋁合金基材的表面鍍2 10μ m厚度的Cu-Cr合金膜；(4)將表面鍍好Cu-Cr合金膜的超高強(qiáng)鋁合金放入到強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備中，啟動(dòng)強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，抽真空至P〈8X 10_4Pa后，采用強(qiáng)流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強(qiáng)鋁合金表面進(jìn)行電子束表面合金化處理，經(jīng)處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增強(qiáng)層；處理參數(shù)為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為5 50次。進(jìn)ー步的特征是在磁控濺射設(shè)備抽真空后，向真空室內(nèi)充入氬氣。Cr的重量含量為5%。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明鋁合金表面合金化改性的方法，具有以下有益效果
I、在鋁合金表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好的Cu-Cr合金化層，該合金化層與鋁合金基體有良好結(jié)合力。2、有效提高鋁合金表面強(qiáng)度，提高鋁合金表面耐磨性和耐蝕性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明鋁合金表面合金化改性的方法，其步驟為
1.真空感應(yīng)熔煉法制備CrWt. %含量為3 20 Wt. %的Cu-Cr合金鑄錠，去掉表皮(車掉外皮)并鋸斷成圓片狀，圓片狀Cu-Cr合金的表面進(jìn)行打磨處理，光滑平整井清洗干凈后固定安裝在抽真空的磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上；
2.用砂紙(如金相砂紙)對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的表面進(jìn)行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用こ醇溶液滴在試樣的表面，吹干其表面(可用電吹風(fēng))，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的超高強(qiáng)鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設(shè)備真空室中；
3.開啟磁控濺射鍍膜設(shè)備，抽真空至P〈1X 10_3Pa，在超高強(qiáng)鋁合金基材的表面鍍2 10μ m厚度的Cu-Cr合金膜；根據(jù)不同的要求，Cu-Cr合金膜的厚度可以選取3 μ ηι、4μ m、5μπι、6μπι、7μπι、8μπι、9μπι、10μπι;
4.將表面鍍好Cu-Cr合金膜的超高強(qiáng)鋁合金放入到強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備中(如RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備)，啟動(dòng)強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，抽真空至P〈8X 10_4Pa后，采用強(qiáng)流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強(qiáng)鋁合金表面進(jìn)行電子束表面合金化處理，經(jīng)處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增強(qiáng)層。處理參數(shù)為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為5 50次。Cr的重量含量為3 20%，可以選取的具體含量為3%、5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%等。加速電壓為10 keV、20 keV、3 O keV、40 keV等；脈沖間隔為10秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒等；脈沖次數(shù)為5次、8次、10次、12次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次、35次、40次、45次、50次等，都能滿足本發(fā)明的要求。在磁控濺射鍍膜設(shè)備抽真空后，向真空室內(nèi)充入保護(hù)性氣體(如氬氣等惰性氣體、氮?dú)獾?。實(shí)施例I :
采用將重量百分比為95 5的紫銅塊和鉻塊放入到中頻真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，抽真空至P=4. OX KT3Pa后，打開中頻電源進(jìn)行感應(yīng)加熱熔化，待合金完全熔化后，澆注到直徑為70mm的水冷銅坩堝中。將澆注好的CuCr5合金鑄錠車去外皮，并鋸斷成圓片狀，對(duì)圓片狀的CuCr5合金進(jìn)行表面打磨處理，光滑平整井清洗干凈后裝入到真空磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上，用于磁控濺射鍍膜的CuCr5合金靶材。用金相砂紙對(duì)7A04超高強(qiáng)鋁合金的表面進(jìn)行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用こ醇溶液滴在試樣的表面，用電吹風(fēng)吹干，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的7A04超高強(qiáng)鋁合金裝在配用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空至真空度P = 9.0X10_4 Pa后，然后向真空室內(nèi)充入氬氣(最好為純度為99. 99%的高純氬氣)，氬氣的流量為O. 4 L/min,啟動(dòng)磁控濺射設(shè)備，進(jìn)行鍍CuCr5合金膜，濺射時(shí)間為lOmin，鍍膜厚度約6 μ m。將鍍好膜的7A04超高強(qiáng)鋁合金裝入到RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備真空室配用的夾具上，抽真空至真空度P = 6. OX 10_4Pa后，啟 動(dòng)RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，對(duì)合金的表面進(jìn)行電子束表面合金化處理。RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備的加載電壓為20keV，脈沖間隔為30秒，脈沖次數(shù)為15次。實(shí)施例2
采用將重量百分比為90 10的紫銅塊和鉻塊放入到中頻真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，抽真空至P = 2. OX IO-3Pa后，打開中頻電源進(jìn)行感應(yīng)加熱熔化，待合金完全熔化后，澆注到直徑為70mm的水冷銅坩堝中。將澆注好的CuCrlO合金鑄錠車去外皮，并鋸斷成圓片狀，對(duì)圓片狀的CuCrlO合金進(jìn)行表面打磨處理，光滑平整井清洗干凈后裝入到真空磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上，用于磁控濺射鍍膜的CuCrlO合金靶材。用金相砂紙對(duì)7A04超高強(qiáng)鋁合金的表面進(jìn)行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用こ醇溶液滴在試樣的表面，用電吹風(fēng)吹干，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的7A04超高強(qiáng)鋁合金裝在配用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空至真空度P = 8.0X10_4Pa后，然后向真空室內(nèi)充入純度為99. 99 %的高純氬氣，氬氣的流量為O. 3 L/min,啟動(dòng)磁控濺射設(shè)備，進(jìn)行鍍CuCr5合金膜，濺射時(shí)間為15min，鍍膜厚度約8 μ m。將鍍好膜的7A04超高強(qiáng)鋁合金裝入到RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備真空室專用的夾具上，抽真空至真空度P=5. OX 10_4 Pa后，啟動(dòng)RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，對(duì)合金的表面進(jìn)行電子束表面合金化處理。RITM-2M強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備的加載電壓為25 keV，脈沖間隔為45秒，脈沖次數(shù)為30次。需要說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明技術(shù)方案而非限制技術(shù)方案，盡管申請(qǐng)人參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，那些對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗g和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法，其特征在于包括如下步驟 (1)真空感應(yīng)熔煉法制備CrWt. %含量為3 20 Wt. %的Cu-Cr合金鑄錠，去掉表皮并鋸斷成圓片狀，圓片狀Cu-Cr合金的表面進(jìn)行打磨處理，光滑平整井清洗干凈后固定安裝在磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上； (2)用砂紙對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的表面進(jìn)行打磨處理，待其表面光滑平整后，用清水清洗干凈，并用こ醇溶液滴在試樣的表面，吹干其表面，吹干后試樣的表面；將表面干凈的超高強(qiáng)鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設(shè)備真空室中； (3)開啟磁控濺射鍍膜設(shè)備，抽真空至P〈lX10_3Pa，在超高強(qiáng)鋁合金基材的表面鍍2 10μ m厚度的Cu-Cr合金膜； (4)將表面鍍好Cu-Cr合金膜的超高強(qiáng)鋁合金放入到強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備中，啟動(dòng)強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備，抽真空至P〈8X KT4Pa后，采用強(qiáng)流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強(qiáng)鋁合金表面進(jìn)行電子束表面合金化處理，經(jīng)處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增 強(qiáng)層；處理參數(shù)為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數(shù)為5 50次。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法，其特征在于在磁控濺射設(shè)備抽真空后，向真空室內(nèi)充入氬氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法，其特征在干Cr的重量含量為5%ο
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超高強(qiáng)度鋁合金表面合金化的處理方法，首先真空感應(yīng)熔煉法制備Crwt.%含量為3~20%的Cu-Cr合金鑄錠，去掉表皮、打磨處理后固定安裝在真空磁控濺射設(shè)備的靶材裝置上；將表面打磨處理干凈的鋁合金裝在配用的夾具上，并裝入到磁控濺射設(shè)備真空室中；開啟磁控濺射鍍膜設(shè)備，在鋁合金基材的表面鍍2~10μm厚度的Cu-Cr合金膜；將表面鍍好Ni-Cr合金膜的鋁合金放入到強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備中，進(jìn)行電子束表面合金化處理，本發(fā)明的方法，在鋁合金表面形成一層顯微硬度高，耐磨性和耐蝕性好的Cu-Cr合金化層，該合金化層與鋁合金基體有良好結(jié)合力；能有效提高鎂合金表面強(qiáng)度，提高鎂合金表面耐磨性和耐蝕性。
文檔編號(hào)C23C14/58GK102691040SQ201210170828
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月29日
發(fā)明者周志明, 唐麗文, 張寶亮, 羅榮, 肖志佩, 胡建軍, 胡 治, 黃偉九 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)