一种纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金制造技术

一种纳米Fe‑Al粉电子束改性铝合金，利用电子束扫描技术对铝合金ADC12表面进行纳米合金化处理，电子束纳米Al‑Fe合金化可以提高铝合金材料的硬度、增加耐磨性；随着混合粉中纳米Fe粉含量的增加，合金层中合金硬质强化相逐渐增多，合金化层的硬度和耐磨性也逐渐提高，硬度最高可达800HV，但组织中会出现裂纹且均匀性不好。当混合粉中纳米Fe粉含量为50%时，合金化层的硬度和耐磨性能较好，其耐热硬度，在675K时硬度可达到300‑400HV，其磨损量仅为铝合金基材的1/6。

Electron beam modification of aluminum alloy with nano Fe Al powder

【技术实现步骤摘要】
一种纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金所属
本专利技术涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金。
技术介绍
铝合金(包括铝基复合材料)因其具有优异性能被广泛应用于汽车、航空、铁路和客车等方面。但铝合金存在诸多缺点，如:硬度较低易产生塑性变形；摩擦因数高、磨损大，容易拉伤；难以润滑导致铝合金耐磨性差等。提高铝合金的表面硬度和耐磨性，则能扩大其在新领域中的广泛应用。电子束表面合金化是利用电子束表面改性技术将一种或多种合金元素快速熔入基体，利用能量转变和组织变化等获得具有特殊性能的表面合金层。利用能量利用率更高、对表面无污染的电子束改性方法，在能量注入方式上选择与脉冲不同的扫描方式。利用电子束扫描技术对添加不同比例纳米Al-Fe混合粉末的铝合金ADC12进行表面强化处理，通过分析铝合金表面纳米合金化层的组织和性能，确定出合金化纳米混合粉的适宜配比，达到最大程度提高基体的硬度和耐磨性的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了改善铝合金材料的耐磨性，设计了一种Fe-Al粉电子束改性铝合金。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的制备原料包括：试验试样尺寸为40mm×40mm×40mm的ADC12铝合金。纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的制备步骤为：电子束扫描表面纳米合金化是一个冶金过程，合金强化纳米Fe粉与基体材料满足液态固熔的热力学条件，才能在电子束扫描处理后的快速凝固条件下达到固熔强化效果，使纳米Fe粉对铝基体产生强化作用。采用涂覆法，在试样上表面的中心铣削加工成内径为12mm，外径为18mm，槽深为2mm的环形槽。先用丙酮清洗2min除去铝合金表面氧化物烘干后，然后将其用10%NaOH浸蚀10min，取出后用无水酒精清洗烘干。把混合粉中纳米Fe粉含量分别是30%、50%、70%的纳米Fe-Al混合粉放在不同编号的容器内，将纳米Al-Fe混合粉用无水乙醇混合均匀，调成膏状涂敷在试件的环形槽内，预涂层厚度是2.0mm。在空气中自然晾干后，使用40kN的压力压制涂层，制备成待加工试样。实验时采用的电子束扫描设备是HDZ-6F高压数控真空电子束焊机。其性能指标分别为:加速电压0-60kV，电子束电流0-120mA，扫描频率0-3kHz，聚焦电流0-1000mA。放入电子束焊机的真空室中(真空度为10-2Pa)，对其进行表面扫描处理。纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的检测步骤为：从电子束合金化处理过的铝合金试样截取1/8横断面，经粗磨、细磨、抛光和腐蚀制成金相试样，金相试样尺寸为10mm×10mm×10mm。组织结构用Tension金相显微镜观察，硬度用HMV-ZT维氏显微硬度计进行测试，载荷为0.1961N，加载时间为10s；用TSM-56102V扫描式电子显微镜拍摄金相照片和EDS成分测试；用HT-500高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验；利用布鲁克D8X射线衍射仪分析电子束合金化层的相组成。本专利技术的有益效果是：电子束合金化可以形成一种厚度为4-10mm的高硬度的强化层；合金层的微观组织可分为亚共晶(a-Al+FeAl3)、FeAl3和Fe2Al5金属间化合物的过共晶结构。裂纹出现在Fe2Al5金属间化合物的晶界处；合金层硬度随铁含量增加而增加，当Fe质量分数为70%时，块状Fe2Al5金属间化合物复合结构的硬度可达到800HV，但有裂纹出现且组织结构不致密；而当Fe质量分数为50%时，组织中FeAl3金属间化合物合金层有很好的耐热硬度，在675K时硬度可达到300-400HV；当Fe质量分数为50%的合金层耐磨性最佳，仅为基体材料的1/6。具体实施方式实施案例1：纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的制备原料包括：试验试样尺寸为40mm×40mm×40mm的ADC12铝合金。纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的制备步骤为：电子束扫描表面纳米合金化是一个冶金过程，合金强化纳米Fe粉与基体材料满足液态固熔的热力学条件，才能在电子束扫描处理后的快速凝固条件下达到固熔强化效果，使纳米Fe粉对铝基体产生强化作用。采用涂覆法，在试样上表面的中心铣削加工成内径为12mm，外径为18mm，槽深为2mm的环形槽。先用丙酮清洗2min除去铝合金表面氧化物烘干后，然后将其用10%NaOH浸蚀10min，取出后用无水酒精清洗烘干。把混合粉中纳米Fe粉含量分别是30%、50%、70%的纳米Fe-Al混合粉放在不同编号的容器内，将纳米Al-Fe混合粉用无水乙醇混合均匀，调成膏状涂敷在试件的环形槽内，预涂层厚度是2.0mm。在空气中自然晾干后，使用40kN的压力压制涂层，制备成待加工试样。实验时采用的电子束扫描设备是HDZ-6F高压数控真空电子束焊机。其性能指标分别为:加速电压0-60kV，电子束电流0-120mA，扫描频率0-3kHz，聚焦电流0-1000mA。放入电子束焊机的真空室中(真空度为10-2Pa)，对其进行表面扫描处理。纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的检测步骤为：从电子束合金化处理过的铝合金试样截取1/8横断面，经粗磨、细磨、抛光和腐蚀制成金相试样，金相试样尺寸为10mm×10mm×10mm。组织结构用Tension金相显微镜观察，硬度用HMV-ZT维氏显微硬度计进行测试，载荷为0.1961N，加载时间为10s；用TSM-56102V扫描式电子显微镜拍摄金相照片和EDS成分测试；用HT-500高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验；利用布鲁克D8X射线衍射仪分析电子束合金化层的相组成。实施案例2：电子束处理后的强化层与基体组织的发生了明显的变化，电子束表面合金化后在强化层形成3个区域，分别是基体区、过渡区、合金化区。基体组织由共晶体、粒状Si晶体组成。在过渡区也就是熔池的重熔区，组织的晶粒比基体组织的晶粒相对细小，这是由于电子束扫描过程中，基体热传导作用导致过渡区的冷却速度快，使Si晶体相来不及从基体中析出，溶解在共晶体中，造成晶粒相对较细小。在铝合金表面添加纳米Al-Fe混合粉后，在基体中熔化的纳米Fe粉生成了新的α相和α(Si+Al)二元共晶体；少量的粗晶硅、条针状β(Al9Si2Fe2)相以及一部分未熔化的纳米粉，熔解在基体中，形成新的FeAl3和Fe2Al5相，实施案例3：随着距表面距离的增加硬度逐渐下降但是高于基体。电子束表面处理强化区合金层的厚度约为6mm，且合金层的平均硬度是基体材料的3倍，这是由于表面合金层组织是由新的FeAl3和Fe2Al5相组成，致使硬度有所增加。熔化区组织的晶粒高度细化，生成了非平衡态的共晶体和条针状β(Al9Si2Fe2)化合物，致使显微硬度高于基体。当距表面10mm后，进入基体区，硬度不变，与上述显微组织特征一致。实施案例4：耐磨性分析是在油润滑条件和300N载荷下，对电子束扫描纳米合金化处理后的铝合金强化层进行磨损试验。随着磨损时间的延长，磨损量不断增加，电子束表面处理层的磨损量远远小于基体材料的磨损本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金，制备原料包括：试验试样尺寸为40mm×40mm×40mm的ADC12铝合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金，制备原料包括：试验试样尺寸为40mm×40mm×40mm的ADC12铝合金。


2.根据权利要求1所述的纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金，其特征是纳米Fe-Al粉电子束改性铝合金的制备步骤为：电子束扫描表面纳米合金化是一个冶金过程，合金强化纳米Fe粉与基体材料满足液态固熔的热力学条件，才能在电子束扫描处理后的快速凝固条件下达到固熔强化效果，使纳米Fe粉对铝基体产生强化作用，采用涂覆法，在试样上表面的中心铣削加工成内径为12mm，外径为18mm，槽深为2mm的环形槽，先用丙酮清洗2min除去铝合金表面氧化物烘干后，然后将其用10%NaOH浸蚀10min，取出后用无水酒精清洗烘干，把混合粉中纳米Fe粉含量分别是30%、50%、70%的纳米Fe-Al混合粉放在不同编号的容器内，将纳米Al-Fe混合粉用无水乙醇混合均匀，调成膏状涂敷在试件的环形槽内，预涂层厚度是2.0mm，在空气中自然晾干后，使用40kN的压力压制涂层，制备成待加工试样，实验时采用的电子束扫描设备是HDZ-6F高压数控真空电子束焊机，其性能指标分别为:加速电压0-60kV，电子束电流0-120mA，扫描频率0-3kHz，聚焦电流0-1000mA，放入电子束焊机的真空室中(真空度为10-2Pa)，对其进行表面扫描处理。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王洪伟，
申请(专利权)人：王洪伟，
类型：发明
国别省市：辽宁;21