專利名稱：超高強度鋁合金表面合金化的處理方法
技術領域：
本發明涉及超高強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流脈沖電子束輻射加熱相結合的方法在超高強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領域。
背景技術：
早在20世紀30年代，人們就開始研究超高強度鋁合金，但由于該系合金存在嚴重的腐蝕現象而未得到實際應用。直到20世紀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カ腐蝕和抗剝落腐蝕性能，美國和前蘇聯相繼開發出7075超高強度鋁合金，用于制造飛機部件。在7075合金的基礎上，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等飛機的結構件。到90年代末，美國、英國、日本等エ業發達國家利用噴射成形技術開發出了含鋅量在8%以上(最高達14%)，抗拉強度為760 810MPa，延伸率為8% 13%的新一代超高強度鋁合金，用于制造交通運輸領域的結構件及其他高應カ結構。國內超高強度鋁合金的研究開發起步較晚20世紀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度高韌鋁合金。目前，在普通7XXX系鋁合金的生產和應用方面已進入到實用化階段，產品主要包括7A04、7075、7175和7050等超高強度鋁合金，用于各種航空器結構件和汽車摩托車等交通運輸方面的制造。隨著近年來科學技術以及エ業經濟的飛速發展，超高強度鋁合金產品因具有強度高、重量輕、加工性能好和尺寸穩定性能好等良好的綜合機械性能特點，在航空、航天、兵器、汽車、機械制造、船舶及化學エ業中的應用越來越廣泛。超高強鋁合金的表面的耐腐蝕和耐磨性也得到越來越多的關注和研究。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等復合涂層，但是這種方法制備出來的涂層結合強度低，并且表面容易形成氧化膜。發明人為李福泉等，授權公告號CN 100549233A的發明專利，通過電弧輔助激光熔注陶瓷顆粒增強鋁或鋁合金表面。發明人為郭志猛等、專利名稱為“ー種鋁合金表面涂敷耐磨涂層的方法”，其授權公告號CN 100408724A，其公開了通過在反應原料中加入過量的鋁，利用自蔓延反應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件的內表面獲得耐磨涂層，并且因鋁合金的導熱作用，難以使鐵鋁金屬間化合物與鋁基體良好結合。發明人為孫榮祿等、授權公告號CN 100491593A的發明專利，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化方法，在鋁合金基體上獲得表面質量良好、高耐磨和高硬度的強化涂層。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，不能從本質上解決高熔點陶瓷層帶來的結合界面裂紋和開裂的問題。為了避免陶瓷的影響，田永生等發明了ー種鋁合金表面原位生成鋁化物強化層的方法，其授權公告號為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化層的鋁合金基材，進而大幅度提高鋁合金的耐磨性能。
目前，超高強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雜，容易受到化學反應池中多種化學和物理因素的影響導致耐腐蝕性能不穩定，并且陽極氧化工藝不符合當前的環保和節能要求。發明人為胡益民等、授權公告號為CN101693995A的發明專利，采用化學反應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層提高了鋁合金表面的防腐蝕特性。胡永俊等(授權公告號CN 101319316 B)發明了ー種不經過浸鋅處理在鋁合金表面化學鍍鎳的エ藝，解決了エ藝復雜、耐腐蝕性能差的問題。強流脈沖電子束(HCPEB )是近年來發展起來的ー種新型高效表面處理技術，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，有利于形成較厚的改性層。強流脈沖電子束照射金屬材料時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的影響小。強流脈沖電子束是在真空環境中完成，可有效抑制材料的高溫氧化和污染等問題。因此，強流脈沖電子束表面處理能得到傳統的表面處理技術所不能達到的改性效果，在材料表面改性、表面合金化等方面都有很好的應用前景。盡管許多研究者采用表面噴涂或化學反應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流脈沖電子束輻射加熱相結合的方法對超高強鋁合金表面進行合金化改性的研究。
發明內容
本發明的目的在于將提高鋁合金耐磨性和耐蝕性Cu和Cr等高熔點合金元素通過真空感應熔煉法制備Cu-Cr合金靶材，然后采用強流脈沖電子束設備對表面真空磁控濺射鍍Cu-Cr合金膜的超高強鋁合金進行表面合金化處理的超高強度鋁合金表面合金化的處理方法；經處理后，在超高強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，與超高強鋁合金基體有良好結合力的合金化層。本發明的技術方案如下超高強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備的靶材裝置上；
(2)用砂紙對超高強鋁合金的表面進行打磨處理，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鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中；
(3)開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈lX10_3Pa，在超高強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合金膜的超高強鋁合金放入到強流脈沖電子束設備中，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈8X 10_4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強鋁合金表面進行電子束表面合金化處理，經處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增強層；處理參數為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數為5 50次。進ー步的特征是在磁控濺射設備抽真空后，向真空室內充入氬氣。Cr的重量含量為5%。
相對于現有技術，本發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合力。2、有效提高鋁合金表面強度，提高鋁合金表面耐磨性和耐蝕性。
具體實施例方式本發明鋁合金表面合金化改性的方法，其步驟為
1.真空感應熔煉法制備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備的靶材裝置上；
2.用砂紙(如金相砂紙)對超高強鋁合金的表面進行打磨處理，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)，吹干后試樣的表面沒有水潰的痕跡。將表面干凈的超高強鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中；
3.開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈1X 10_3Pa，在超高強鋁合金基材的表面鍍2 10μ m厚度的Cu-Cr合金膜；根據不同的要求，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合金膜的超高強鋁合金放入到強流脈沖電子束設備中(如RITM-2M強流脈沖電子束設備)，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈8X 10_4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強鋁合金表面進行電子束表面合金化處理，經處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增強層。處理參數為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數為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，都能滿足本發明的要求。在磁控濺射鍍膜設備抽真空后，向真空室內充入保護性氣體(如氬氣等惰性氣體、氮氣等)。實施例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熔煉爐內，抽真空至P=4. OX KT3Pa后，打開中頻電源進行感應加熱熔化，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，對圓片狀的CuCr5合金進行表面打磨處理，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7A04超高強鋁合金的表面進行打磨處理，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超高強鋁合金裝在配用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設備的真空室內，抽真空至真空度P = 9.0X10_4 Pa后，然后向真空室內充入氬氣(最好為純度為99. 99%的高純氬氣)，氬氣的流量為O. 4 L/min,啟動磁控濺射設備，進行鍍CuCr5合金膜，濺射時間為lOmin，鍍膜厚度約6 μ m。將鍍好膜的7A04超高強鋁合金裝入到RITM-2M強流脈沖電子束設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RITM-2M強流脈沖電子束設備，對合金的表面進行電子束表面合金化處理。RITM-2M強流脈沖電子束設備的加載電壓為20keV，脈沖間隔為30秒，脈沖次數為15次。實施例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熔煉爐內，抽真空至P = 2. OX IO-3Pa后，打開中頻電源進行感應加熱熔化，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，對圓片狀的CuCrlO合金進行表面打磨處理，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7A04超高強鋁合金的表面進行打磨處理，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超高強鋁合金裝在配用的夾具上，放入真空磁控濺射鍍膜設備的真空室內，抽真空至真空度P = 8.0X10_4Pa后，然后向真空室內充入純度為99. 99 %的高純氬氣，氬氣的流量為O. 3 L/min,啟動磁控濺射設備，進行鍍CuCr5合金膜，濺射時間為15min，鍍膜厚度約8 μ m。將鍍好膜的7A04超高強鋁合金裝入到RITM-2M強流脈沖電子束設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RITM-2M強流脈沖電子束設備，對合金的表面進行電子束表面合金化處理。RITM-2M強流脈沖電子束設備的加載電壓為25 keV，脈沖間隔為45秒，脈沖次數為30次。需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明技術方案而非限制技術方案，盡管申請人參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗g和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.超高強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備的靶材裝置上； (2)用砂紙對超高強鋁合金的表面進行打磨處理，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鋁合金裝在專用的夾具上，并裝入到磁控濺射設備真空室中； (3)開啟磁控濺射鍍膜設備，抽真空至P〈lX10_3Pa，在超高強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合金膜的超高強鋁合金放入到強流脈沖電子束設備中，啟動強流脈沖電子束設備，抽真空至P〈8X KT4Pa后，采用強流脈沖電子束輻射加熱鍍膜超高強鋁合金表面進行電子束表面合金化處理，經處理后在鋁合金基材表面得到得到Cu-Cr合金增 強層；處理參數為加速電壓為10-40keV，脈沖間隔為10 60秒，脈沖次數為5 50次。
2.根據權利要求I所述超高強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備抽真空后，向真空室內充入氬氣。
3.根據權利要求I所述超高強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
本發明提供了一種超高強度鋁合金表面合金化的處理方法，首先真空感應熔煉法制備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備真空室中；開啟磁控濺射鍍膜設備，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流脈沖電子束設備中，進行電子束表面合金化處理，本發明的方法，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合力；能有效提高鎂合金表面強度，提高鎂合金表面耐磨性和耐蝕性。
文檔編號C23C14/58GK102691040SQ201210170828
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者周志明, 唐麗文, 張寶亮, 羅榮, 肖志佩, 胡建軍, 胡 治, 黃偉九 申請人:重慶理工大學