[00779701]铝合金表面激光熔覆稀土镍基合金强化层基础研究

课题来源与背景：课题来源：该课题来源于国家自然科学基金。背景：铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等诸多优异性能，得到了广泛应用。然而铝合金本身也存在一定的缺陷和不足，铝合金硬度较低、摩擦系数高、磨损大，容易拉伤且难以润滑导致其耐磨性差。这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。常用的铝合金表面强化技术有稀土转化膜、等离子微弧氧化、离子注入、气相沉积、电镀、阳极氧化、激光表面强化等。前几种方法虽能有效的改善铝合金的性能，但获得的强化层较薄(仅有几百个微米)，其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。阳极氧化法在铝基复合材料上不能形成连续的氧化膜，对基体不能起到有效的防腐作用，铬酸盐的毒性大，严重污染环境和危害人类健康。而铝合金激光熔覆以其高效、无污染成为制备铝合金表面涂层的有效方法之一。研究目的与意义：将激光熔覆技术用于铝合金表面强化，可以克服铝合金其他传统改性方法存在的不足，是一种绿色、环保行之有效的方法。将稀土改性技术用于铝合金的表面激光熔覆中，可以优化激光熔覆层，可以大幅度提高铝合金材料表面的耐蚀性、硬度及耐磨性等综合性能。主要论点与论据：铝合金表面激光熔覆最佳工艺参数：功率4kW，光斑直径6mm，扫描速率600mm/min，步距6mm；未加稀土熔覆层出现大量的“团状”或“根瘤状”的熔凝组织和气体溅射孔洞，添加三种稀土的熔覆层表面形貌均有改善；加入稀土含量低于3%～4%时，熔覆层仍然具有气孔、组织脱落和表面不平整等缺陷，加入4%～10%稀土时，熔覆层表面平整，无脱落层，表面形貌良好；熔覆层厚度约800μm～1000μm，三种稀土添加量低于4%时，随稀土含量增加，气孔、裂纹等缺陷得到改善；未加稀土熔覆层硬度值1020HV0.1，高于6063硬度值147.2HV0.1，加入5%～10%的三种稀土可提高熔覆层表层硬度，最高可达1300HV0.1～1400HV0.1；在熔覆层底层，未加稀土熔覆层硬度值200HV0.1～400HV0.1，比加稀土熔覆层低100HV0.1～400HV0.1；添加La<,2>O<,3>熔覆层相结构为β-NiAl(Cr)和少量Al<,3>Ni、AlNi<,3>、Al等，添加稀土La<,2>O<,3>以后，XRD图中出现了微量稀土化合物La<,2>O<,3>、Al4La；添加Y<,2>O<,3>熔覆层相结构为β-NiAl(Cr)、Al<,3>Ni、AlNi<,3>、Al等，同时有Y<,2>O<,3>、YAl<,3>、AlNiY、Ni17Y2等多种稀土化合物的衍射峰；加入CeO<,2>熔覆层相结构为β-NiAl(Cr)、Al<,3>Ni、AlNi<,3>等，熔覆层中有CeNi<,5>、Ce<,3>Ni<,6>Si<,2>；相比未加稀土熔覆层，添加三种稀土熔覆层中Ni、Al、Cr等成分随深度过渡明显，无Cr元素偏聚，表层Ni含量由未添加稀土前的34.62%提高到60%以上，熔覆层稀释率低，稀土含量从表层大于1.0%到底部逐渐降低；添加三种稀土可改善微观结构，促进熔覆层晶粒细化，减少气孔，熔覆层主要成分为NiAl-Cr共晶组织，稀土偏聚在晶界位置并形成了稳定Al4La等稀土化合物；加入稀土熔覆层耐磨性和耐腐蚀性比未加稀土熔覆层有所提高。创见与创新：该项目是将激光改性技术、稀土改性技术融合在一起，用在铝合金表面的强化，是多学科交叉领域的技术融合，是当今世界材料表面改性研究的前沿技术；该课题形成的熔覆层与基体可以形成牢固的冶金结合； 稀释度小, 受污染小，保证所设计涂层的性能；热影响区小，基体热变形小，因此可以对成形工件进行选区激光熔覆处理；可以依据使用性能要求，进行涂层材料成分设计，选配不同熔覆材料体系，获得理想涂层；涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化；由于激光束能量密度高，激光熔覆加热和冷却速度很大，熔池熔体凝固速度快，因此，涂层组织得到改善；可以对破废工件进行修复处理。