一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面及其制备方法

1.本发明属于激光仿生修复/再制造技术领域，特别是涉及到一种应用激光加工技术制备的一种含有钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面。


背景技术：

2.激光熔覆作为近年来发展起来的一种先进、高效的表面改性技术。激光熔覆可以提高工件表面的耐磨性和耐腐蚀性，减少优质材料的使用。该方法有效降低了成本，节约了贵重稀有金属，具有较高的经济价值。激光熔覆技术的另一个主要功能是在不降低基体性能、不影响工件原始尺寸的前提下，对表面失效的零件进行再次制造，提高工件的寿命。
3.然而在大面积激光熔覆后，其组织性能会发生变化，熔覆层与基体的力学性能间的较大差异，在较大载荷情况作用下，极易导致熔覆层的大面积开裂，甚至脱落，降低其使用寿命。
4.激光熔凝是用激光束将工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。激光熔凝处理后会改变基体材料的表面组织形态，可以提高材料的服役性能，且工艺简单。
5.因此，现有技术中亟需一种新的技术方案将二者结合，达到抑制熔覆层的易开裂和脱落现象的目的。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面及其制备方法，利用激光“熔凝-熔覆”技术在铝基表面制备具有仿生物骨架特征的类钉扎结构强化层，抑制熔覆层的易开裂和脱落现象，延长激光修复/再制造强化层使用寿命。
7.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：铝基金属结构表面设置有仿生骨架特征的钉扎结构强化层，所述强化层包括深熔单元体和高强度熔覆层。
8.所述深熔单元体的深度h为660μm～1477μm。
9.所述深熔单元体的间距x为2mm～4mm。
10.所述高强度熔覆层由陶瓷颗粒和金属间化合物组成，高强度熔覆层深度h为0.24h～0.54h，360μm～436μm。
11.所述陶瓷颗粒为sic，sic颗粒形状为不规则块状，最大长度尺寸在85μm～95μm。
12.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面制备方法，其特征是：制备所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
13.步骤一、对铝基试样进行打磨，增加表面粗糙度ra至3.9～6.5，增加激光吸收率；
14.步骤二、利用高能量密度的激光熔凝工艺制备微凹结构深熔单元体，其激光加工参数为，激光加工电流85an～120an、脉宽2ms～5ms、频率5hz～15hz、扫描速度15mm/min～30mm/min、离焦量0mm，全程氩气保护；
15.步骤三、将采用机械法混合的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，涂敷在激光熔
凝所形成的微凹结构内，涂覆后高度与铝基试样原表面高度一致；
16.步骤四、利用激光熔覆工艺在微凹结构深熔单元体表面进行单道熔覆，制备具有铆钉结构的深熔单元体，激光熔覆加工参数范围为，激光加工电流135an～160an、脉宽4ms～6ms、频率4hz～6hz、扫描速度30mm/min、搭接率10％～50％、离焦量-5mm；全程氩气保护；
17.步骤五、将采用机械法混合的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，涂覆在铝基基体表面，涂覆厚度在500μm～800μm；
18.步骤六、利用激光熔覆工艺制备具钉扎结构的高强度熔覆层，激光熔覆加工参数范围为，激光加工电流135an～165an、脉宽4ms～6ms、频率4hz～6hz、扫描速度30mm/min、搭接率10％～50％、离焦量-5mm；全程氩气保护；
19.步骤七、对所述步骤六激光熔覆后的表面进行机械打磨，使表面达到工业实际使用的粗糙度。
20.通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面及其制备方法，通过在没有预制粉末的激光熔凝对基体表面进行强化，去除表面杂质，细化晶粒，与单道激光熔覆相结合制备深熔单元体，加强激光熔覆层与深熔单元体表面之间的结合强度，当受力发生裂纹时，会阻碍裂纹的扩展，诱导裂纹发生偏转，延长裂纹路径，抑制熔覆层和基体之间因物性参数的巨大差异而产生大面积开裂的现象。更好的实现激光熔覆后基体与熔融粉末之间的冶金结合。
附图说明
21.以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
22.图1为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面深熔单元体结构示意图。
23.图2为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面钉扎结构示意图。
24.图3为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面深熔单元体电镜图。
25.图4为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面铆钉结构电镜图。
26.图5为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面一定间距内钉扎结构电镜图。
27.图6为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面激光熔覆组织电镜图。
28.图7为本发明种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面熔凝-熔覆组织电镜图。
具体实施方式
29.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，如图1和图2所示，在铝基金属结构表面设置有仿生骨架特征的钉扎结构强化层，所述强化层包括深熔单元体和高强度熔覆层。所述深熔单元体的深度h为660μm～1477μm。所述深熔单元体的间距x为2mm～4mm。所述高强度熔覆层由陶瓷颗粒和金属间化合物组成，高强度熔覆层深度h为0.24h～0.54h，360μm～436μm。所述陶瓷颗粒为sic，sic颗粒形状为不规则块状，最大长度尺寸在85μm～95μm。
30.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面的其制备方法，在激光熔覆之前，利用激光熔凝和单道激光熔覆相结合在基体表面制备具有类铆钉结构的深熔单元体，该深熔单元体与激光熔覆层最终在基体表面制备具有仿生物骨架特征的类钉扎结构。基体进行激光熔凝后，熔凝区晶粒细化，形成致密组织，阻碍裂纹的扩展，诱导裂纹偏转，延长裂纹路
径，抑制熔覆层和基体之间因物性参数的巨大差异而产生大面积开裂现象。
31.在具体加工过程中，先利用高能选区激光熔凝，高能量密度的激光在基体上作用形成具有一定深度凹槽，在凹槽表面预制粉末进行单道激光熔覆，制备出深熔单元体，与接下来的熔覆层形成具有仿生物骨架的类“钉扎”结构强化层，激光熔凝可以对基体表面的晶粒进行细化，对材料进行预加热，使得熔覆层更好的与基体形成冶金结合，抑制了熔覆层的易开裂和脱落现象。
32.本实施案例所采用的粉末为ni基sic+ceo2合金粉末，试样基体材料为7075铝合金。
33.实施案例一
34.(1)将7075铝合金表面应用砂纸打磨，提高表面粗糙度，增加基体的激光吸收率。
35.(2)基体表面在氩气氛围保护下，采用高能选区激光熔凝工艺在7075铝合金表面进行激光辐照，其激光加工参数为：激光加工功率105an、脉宽5ms、频率为10hz、扫描速度为30mm/min、离焦量0mm。
36.(3)将质量分数为82％ni60、15％sic、和3％ceo2的颗粒粉末采用机械法进行充分混合，将混合好的金属陶瓷粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，并预涂在激光熔凝区域中。
37.(4)如图3所示，利用激光熔覆工艺在深熔单元体表面进行单道熔覆，制备类铆钉结构，其加工参数范围如下：激光加工电流140an、脉宽5ms、频率5hz、扫描速度30mm/min、搭接率25％、离焦量-5mm；全程氩气保护。
38.(5)将采用机械法混合好的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，并预涂在铝基基体表面，预制粉末厚度在600μm。
39.(6)如图4和图5所示，涂覆好陶瓷混合粉末的7075铝合金，在氩气氛围保护下，采用激光熔覆工艺在7075铝合金表面进行激光辐照，其激光加工参数为：激光加工功率140an、脉宽5ms、频率为5hz、扫描速度为30mm/min、离焦量-5mm。最终在基体表面形成良好的钉扎结构。
40.(7)对进行完激光熔覆后的表面进行机械打磨，使表面达到工业实际使用的粗糙度。
41.实施案例二
42.(1)将7075铝合金表面应用砂纸打磨，提高表面粗糙度，增加基体的激光吸收率。
43.(2)基体表面在氩气氛围保护下，采用高能选区激光熔凝工艺在7075铝合金表面进行激光辐照，其激光加工参数为：激光加工功率105an、脉宽5ms、频率为10hz、扫描速度为30mm/min、离焦量0mm。
44.(3)将质量分数为83％ni60、15％sic、和2％ceo2的颗粒粉末采用机械法进行充分混合，将混合好的金属陶瓷粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，并预涂在激光熔凝微凹结构中。
45.(4)利用激光熔覆工艺在深熔单元体表面进行单道熔覆，制备类铆钉结构，其加工参数范围如下：激光加工电流140an、脉宽5ms、频率5hz、扫描速度30mm/min、搭接率25％、离焦量-5mm；全程氩气保护。
46.(5)将采用机械法混合好的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，并预涂在铝基基体表面，预制粉末厚度在600μm。
47.(6)涂覆好陶瓷混合粉末的7075铝合金，在氩气氛围保护下，采用激光熔覆工艺在
7075铝合金表面进行激光辐照，其激光加工参数为：激光加工功率140an、脉宽5ms、频率为5hz、扫描速度为30mm/min、离焦量-5mm。最终在基体表面形成良好的“钉扎”结构。
48.(7)对进行完激光熔覆后的表面进行机械打磨，使表面达到工业实际使用的粗糙度。
49.结合图6和图7不同加工方式下的微观组织图可以看出，激光“熔凝-熔覆”工艺下制备的仿生物骨架的类“钉扎”结构组织要比激光熔覆形成的组织更加的致密，孔隙缺陷较少。
50.对不同加工工艺下形成的试样进行拉伸实验，结果表明：进行激光熔凝-熔覆形成钉扎结构后的延伸率要比只进行激光熔覆的要高，机械性能明显提高。

技术特征：
1.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：铝基金属结构表面设置有仿生骨架特征的钉扎结构强化层，所述强化层包括深熔单元体和高强度熔覆层。2.根据权利要求1所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：所述深熔单元体的深度h为660μm～1477μm。3.根据权利要求1所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：所述深熔单元体的间距为2mm～4mm。4.根据权利要求1所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：所述高强度熔覆层由陶瓷颗粒和金属间化合物组成，高强度熔覆层深度h为0.24h～0.54h，360μm～436μm。5.根据权利要求4所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，其特征是：所述陶瓷颗粒为sic，sic颗粒形状为不规则块状，最大长度尺寸在85μm～95μm。6.一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面制备方法，其特征是：制备权利要求1所述的一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，步骤一、对铝基试样进行打磨，增加表面粗糙度ra至3.9～6.5，增加激光吸收率；步骤二、利用高能量密度的激光熔凝工艺制备微凹结构深熔单元体，其激光加工参数为，激光加工电流85an～120an、脉宽2ms～5ms、频率5hz～15hz、扫描速度15mm/min～30mm/min、离焦量0mm，全程氩气保护；步骤三、将采用机械法混合的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，涂敷在激光熔凝所形成的微凹结构内，涂覆后高度与铝基试样原表面高度一致；步骤四、利用激光熔覆工艺在微凹结构深熔单元体表面进行单道熔覆，制备具有铆钉结构的深熔单元体，激光熔覆加工参数范围为，激光加工电流135an～160an、脉宽4ms～6ms、频率4hz～6hz、扫描速度30mm/min、搭接率10％～50％、离焦量-5mm；全程氩气保护；步骤五、将采用机械法混合的熔覆粉末放入液体硅酸钠粘合剂中，涂覆在铝基基体表面，涂覆厚度在500μm～800μm；步骤六、利用激光熔覆工艺制备具钉扎结构的高强度熔覆层，激光熔覆加工参数范围为，激光加工电流135an～165an、脉宽4ms～6ms、频率4hz～6hz、扫描速度30mm/min、搭接率10％～50％、离焦量-5mm；全程氩气保护；步骤七、对所述步骤六激光熔覆后的表面进行机械打磨，使表面达到工业实际使用的粗糙度。

技术总结
一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面及其制备方法，属于激光仿生修复/再制造技术领域，在铝基金属结构表面设置有仿生骨架特征的钉扎结构强化层，所述强化层包括深熔单元体和高强度熔覆层。本发明通过在没有预制粉末的激光熔凝对基体表面进行强化，去除表面杂质，细化晶粒，与单道激光熔覆相结合制备深熔单元体，加强激光熔覆层与深熔单元体表面之间的结合强度，当受力发生裂纹时，会阻碍裂纹的扩展，诱导裂纹发生偏转，延长裂纹路径，抑制熔覆层和基体之间因物性参数的巨大差异而产生大面积开裂的现象。更好的实现激光熔覆后基体与熔融粉末之间的冶金结合。与熔融粉末之间的冶金结合。与熔融粉末之间的冶金结合。


技术研发人员：隋琦 苏英瑞 张志钢 陈佩强 董迎飞 张硕 成丹阳 卢青天 李绍秋
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/3/8