铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法.pdf

本发明提出了一种铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，采用脉冲激光对铝硅合金或铝硅复合材料表面进行重熔和凝固。先将铝硅合金或铝硅复合材料表面进行清洁处理；然后以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面，并且激光头在材料的表面进行逐行扫描，使单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池；重复上述步骤，使材料的整个表层熔化，然后自然冷却，完成整个铝硅合金或铝硅复合材料表面的改性处理。本发明方法在不影响材料化学成分和材料整体性能的前提下对材料表层进行激光表面改性处理，使材料表层形成微观均匀、无缺陷的微米或亚微米超细组织，实现表面硬化的功能。同时该方法简单易行，且不用添加其他辅助材料。

权利要求书
1.  一种铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：采用脉冲激光对铝硅合金或铝硅复合材料表面进行重熔和凝固。

2.  根据权利要求1所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将铝硅合金或铝硅复合材料表面进行清洁处理；
（2）以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面，并且激光头在材料的表面进行逐行扫描，使单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池；
（3）重复步骤（2），使材料的整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，完成整个铝硅合金或铝硅复合材料表面的改性处理。

3.  根据权利要求2所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：所述的脉冲激光的参数是：峰值功率为1.5～4kW，脉宽为2.5ms～5ms，脉冲频率为10～30Hz，扫描速率为2～5mm/s。

4.  根据权利要求2所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：所述的单点熔池的搭接重叠率为80%～90%。

5.  根据权利要求2所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层熔化厚度为0.5mm～2mm。

6.  根据权利要求2所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面过程中，采用流动Ar气对熔池进行保护。

7.  根据权利要求1所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：所述的铝硅合金或铝硅复合材料中，硅重量百分含量为0%～60%。

8.  根据权利要求2所述的铝硅合金或铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，其特征在于：经过改性处理后，材料表层由亚微米尺寸Al-Si共晶组成，或者由亚微米尺寸Al-Si共晶和5μm以下的弥散分布初晶硅共同组成。

说明书铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法
技术领域
本发明涉及铝硅合金及铝硅复合材料，特别涉及一种铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法。
背景技术
铝硅（Al-Si）合金是一类具有独特微观组织和性能特点的铝合金。铝硅合金中硅含量可在0～70%之间调整，获得组织性能各不相同的铝硅合金（硅含量低于20%）或者铝硅复合材料（硅含量高于20%），以满足各类不同的应用需求。无论是低硅含量的合金还是高硅含量的复合材料，获得细小的等轴状硅颗粒都可以显著提升合金的综合力学性能，因此，硅组织的细化控制成为了铝硅体系材料研发制备的关键技术。
Al-Si在577℃发生共晶反应，共晶成分中硅含量为12.6wt.%，不经变质处理的铸态合金中的共晶硅相一般呈粗大的片状形貌；而对于过共晶A1-Si合金，在凝固过程中首先要析出粗大的初晶硅，其自身易含缺陷、强度较低、易引起应力集中，从而使合金的强度和塑韧性明显降低。已有的研究表明，搅拌铸造法制备的Al-Si合金或铝硅复合材料会出现硅异常长大、成分严重偏析、缺陷较多等问题，难以获得预期的微观组织。对于Si含量较低的Al-Si合金，可采用半固态铸造技术获得具有细小等轴硅Si颗粒的微观组织（平均颗粒尺寸小于20μm），合金的力学性能和二次加工性能大大提升。如能进一步改进硅颗粒的微观组织，使得硅的典型尺寸在5μm以下（乃至亚微米尺度），合金的力学性能将发生显著改变；采用此类铝硅合金或复合材料加工制造而成的汽车零部件将具备轻质、高硬度、耐磨性极好等优异的使用性能。然而，制备硅尺寸为几微米或亚微米尺寸的铝硅材料较为困难。对于硅含量较高的复合材料而言，硅颗粒的微观组织控制更加困难；使用当前的技术方法难以获得具有细小（平均颗粒尺寸5μm以下）而均匀的硅颗粒的微观组织。因此，提供一种能获得具有细小而均匀的硅颗粒的微观组织的铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能获得具有细小而均匀的硅颗粒的微观组织的铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法，该方法为采用脉冲激光对铝硅合金或铝硅复合材料表面进行重熔和凝固。经过重熔之后材料形成具有均匀和超细微观组织的改性表面层，使用该方法处理之后，材料表面硬度和耐磨性大幅提升。
本发明的具体操作方法，包括如下步骤：
（1）将铝硅合金或铝硅复合材料表面进行清洁处理，去除油污等污染物；
（2）以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面，并且激光头在材料的表面进行逐行扫描，使单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池；
（3）重复步骤（2），使材料的整个表层逐个区域熔化，然后自然冷却，完成整个铝硅合金或铝硅复合材料表面的改性处理。
步骤（2）中，所述的脉冲激光的参数是：峰值功率为1.5～4kW，脉宽（脉冲作用时间）为2.5ms～5ms，脉冲频率为10～30Hz，扫描速率（焊接速率）为2～5mm/s。优选的，所述脉冲激光的参数是：峰值功率2.5～4kW，脉宽（脉冲作用时间）为4ms～4.5ms，脉冲频率为10～20Hz，焊接速率为2～3.5mm/s。
所述的单点熔池的搭接重叠率优选为80%～90%。材料的表层熔化厚度为0.5mm～2mm范围内。
激光熔化过程，即以脉冲激光作用于铝硅合金或铝硅复合材料的表面过程中，采用流动Ar气对熔池进行保护，避免熔池金属在大气中氧化。
激光重熔是将脉冲激光作用于材料表面，在极短时间内形成锥形熔池，以一定频率产生的脉冲激光重复作用于材料表面，与此同时，激光头以一定的速率在材料表面逐行扫描行走，单脉冲形成的单点熔池相继重叠搭接形成连续熔池，在材料表面形成连续的熔池，从而对整个材料表面实现改性处理。该过程中材料表层的化学成分不发生变化，材料内部（表层以下）组织不发生改变，材料的整体性能保持不变。
本方法适用于硅重量百分含量为0%～60%的铝硅合金或铝硅复合材料表层0.5mm～2mm厚度范围内的微观组织细化控制，尤其针对硅颗粒进行细化控制。
经过本方法改性处理之后，材料表层形成均匀的超细微观组织，该组织由亚微米尺寸Al-Si共晶组成，或者由亚微米尺寸Al-Si共晶和5μm以下的弥散分布初晶硅共同组成。
有益效果：
本发明的铝硅表层组织细化与表面硬化方法是通过使用脉冲激光对材料表面 进行重熔和凝固实现的。脉冲激光的瞬时能量密度可达10-4～10-6W/cm2，激光作用于材料表面，可在极短的时间内将表层材料熔化甚至气化；由于表层材料相对于母材的体积很小，熔化后可迅速冷却凝固，可视为一个准快速凝固过程，表层材料内部晶粒大量均匀形核，且来不及充分长大，形成了均匀的超细微观组织。
由于表层体积相对于块体母材很小，加之激光作用时间短，母材可以很快将表层热量散失，达到快速冷却效果，使熔化层发生快速凝固，其凝固组织因母材成分（硅含量）不同而变化。对于共晶或亚共晶合金，激光重熔快速凝固后形成亚微米尺寸的Al-Si共晶和少量初晶铝的组织；对于过共晶合金或高硅含量复合材料，凝固形成5μm以下的弥散分布初晶硅和亚微米尺寸Al-Si共晶共存的组织。通常，在表层与母材的界面存在热影响过渡区（部分熔化区），该区域的厚度一般为0.1mm～0.2mm。
本发明的铝硅表层组织细化方法适用范围宽，可用于几乎所有常规制备技术制备的铝硅材料的表层组织改性和硬化处理，方法简单易行，且不用添加其他辅助材料。处理之后的材料表层内组织均匀、缺陷极少、组织稳定性高，改性层厚度一致。该方法尤其适用于高硬度、小尺寸的铝硅耐磨零部件的局部或整体表面硬化改性处理。本发明的其他优点在于，激光表面改性为非接触式操作，对操作环境无特殊要求，工艺灵活。
使用本发明的表层组织细化方法处理之后，铝硅材料硬度可提高50%～200%，耐磨性也相应提高。
下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明方法中所用脉冲激光表面处理的原理结构示意图。
图2(a)和图2(b)是本发明实施例1中Al-11Si合金表层组织细化处理前、后的微观组织的放大图。
图3(a)和图3(b)是本发明实施例2中Al-25Si合金表层组织细化处理前、后的微观组织的放大图。
图4(a)和图4(b)是本发明实施例3中Al-25Si复合材料表层组织细化处理前、后的微观组织的放大图。
图5(a)至图5(c)是本发明实施例4中Al-50Si复合材料表层组织细化处理前、后的微观组织的放大图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中用于表面处理的脉冲激光可详细描述为：单个脉冲的激光作用可形成具有一定深度的近圆锥形熔池，以一定频率产生的脉冲激光不断作用于材料表面，同时激光头以一定的速率扫描行走，从而在材料表面形成连续的熔池，重复该步骤，可对整个材料表面实现改性处理。所用脉冲激光比较合适的参数是：峰值功率1.5～4kW，脉宽（脉冲作用时间）为2.5ms～5ms，脉冲频率为10～30Hz，焊接速率为2～5mm/s，单脉冲形成的单点熔池前后重叠搭接形成连续熔池，搭接重叠率最好为80%～90%。处理过程采用流动Ar气对熔池进行保护，避免熔池金属氧化。
本发明的铝硅合金及铝硅复合材料的表层组织细化与表面硬化方法适用于硅重量百分含量从0%至60%的铝硅合金或复合材料表层0.5mm～2mm厚度范围内的微观组织的细化控制（尤其针对硅的尺寸和形态分布）。使用该方法对铝硅表层处理之后，表层组织中硅的尺寸基本不受母材中硅含量的影响；处理之后的表层材料中硅的绝对含量不发生变化，只是将表层0.5mm～2mm厚度范围内的材料进行原位改性处理，很好地保持了块体材料的整体性能不发生变化。经所述的表层组织细化处理之后，由于表层材料晶粒尺寸得到细化，材料表面硬度随之显著升高，耐磨性大大提升。处理之后的材料表层微观组织，具有致密、均匀、无缺陷和稳定的特征，而且形成的改性表面层厚度一致。
实施例1
样品为铸造制锭、轧制成型的Al-11Si合金，硅含量为11wt%，样品尺寸为30×50mm的平板，厚度为3mm。合金中的硅颗粒以5～15μm的长条形颗粒和弥散分布于铝基体中的亚微米颗粒两种形式存在。先将铝硅合金表面进行清洁处理，去除油污等污染物；然后使用脉冲激光对合金表面进行重熔和快速凝固处理，即以一定频率产生的脉冲激光不断作用于铝硅合金的表面，激光头以一定的速率扫描行走，从而使单脉冲形成的单点熔池前后重叠搭接形成连续的熔池；重复上一步骤，实现整个铝硅合金表面的改性处理。激光光斑大小1mm，脉冲峰值功率4kW，脉宽4.5ms，脉冲频率为10Hz，激光头以2mm/s的速率直线行走，通过逐行扫描完成对样品整个表面的重熔处理。熔池搭接重叠率为80%。处理过程采用流动Ar气对熔池进行保护。通过上述步骤的实施获得具有超细共晶组织的表层，表层平均厚度为0.6mm。将表面处理前后的样品用常规的显微镜进行截面解剖观察，得到处理前后表层微观组织的图像，见图2(a)和图2(b)，其中，图2(a)为处理前的图像(放大500 倍)，图2(b)为处理后的图像(放大2000倍)。从图2(a)和图2(b)可以看出，处理后的材料表面的硅颗粒的微观组织更细小也更均匀。
实施例2
样品为粉末冶金制锭、挤压成型的Al-25Si合金，硅含量为25wt%，样品尺寸为30×50mm的平板，厚度为3mm。合金中的硅颗粒以接近等轴颗粒形式分布于铝基体中，颗粒平均尺寸为27μm。先将铝硅合金表面进行清洁处理，去除油污等污染物；然后使用脉冲激光对合金表面进行重熔和快速凝固处理，即以一定频率产生的脉冲激光不断作用于铝硅合金的表面，激光头以一定的速率扫描行走，从而使单脉冲形成的单点熔池前后重叠搭接形成连续的熔池；重复上一步骤，实现整个铝硅合金表面的改性处理。激光光斑大小1mm，脉冲峰值功率3kW，脉宽4ms，脉冲频率为15Hz，激光头以2.6mm/s的速率直线行走，通过逐行扫描完成对样品整个表面的重熔处理。熔池搭接重叠率为85%。处理过程采用流动Ar气对熔池进行保护。通过上述步骤的实施获得具有5μm以下均匀分布的初晶硅和分布于初晶硅颗粒间隙的Al-Si共晶组织的的表层，表层厚度为0.8mm。将表面处理前后的样品用常规的显微镜进行截面解剖观察，得到处理前后表层微观组织的图像，见图3(a)和图3(b)，其中，图3(a)为处理前的图像(放大200倍)，图3(b)为处理后的图像(放大2000倍)。从图3(a)和图3(b)可以看出，与处理前相比，处理后的材料表面的硅颗粒的微观组织更细小也更均匀。
实施例3
样品为采用粉末热压方法制备的Al-25Si复合材料，硅含量为25wt%，样品尺寸为30×50mm的平板，厚度为3mm。合金中的硅以等轴颗粒的形式分布于铝基体中，颗粒平均尺寸为13μm。先将铝硅复合材料表面进行清洁处理，去除油污等污染物；然后使用脉冲激光对复合材料表面进行重熔和快速凝固处理，即以一定频率产生的脉冲激光不断作用于铝硅复合材料的表面，激光头以一定的速率扫描行走，从而使单脉冲形成的单点熔池前后重叠搭接形成连续的熔池；重复上一步骤，实现整个铝硅复合材料表面的改性处理。激光光斑大小0.6mm，脉冲峰值功率2.5kW，脉宽4ms，脉冲频率为20Hz，激光头以3.5mm/s的速率直线行走，通过逐行扫描完成对样品整个表面的重熔处理。熔池搭接重叠率为85%。处理过程采用流动Ar气对熔池进行保护。通过上述步骤的实施获得具有5μm以下均匀分布的初晶硅和分布于初晶硅颗粒间隙的Al-Si共晶组织的表层，表层厚度为0.7mm。将表面处理前后的样品用常规的显微镜进行截面解剖观察，得到处理前后表层微观组织的图像，见图4(a)和图4(b)，其中，图4(a)为处理前的图像(放大500倍)，图4(b)为处理后的图 像(放大1000倍)。从图4(a)和图4(b)可以看出，与处理前相比，处理后的材料表面的硅颗粒的微观组织更细小也更均匀。
实施例4
样品为采用粉末热压方法制备的Al-50Si复合材料，硅含量为50wt%，样品尺寸为30×50mm的平板，厚度为3mm。合金中的硅以接近等轴颗粒的形式分布于铝基体中，颗粒平均尺寸为15μm，局部颗粒相互连接在一起。先将铝硅复合材料表面进行清洁处理，去除油污等污染物；然后使用脉冲激光对复合材料表面进行重熔和快速凝固处理，即以一定频率产生的脉冲激光不断作用于铝硅复合材料的表面，激光头以一定的速率扫描行走，从而使单脉冲形成的单点熔池前后重叠搭接形成连续的熔池；重复上一步骤，实现整个铝硅复合材料表面的改性处理。激光光斑大小0.4mm，脉冲峰值功率4kW，脉宽4.5ms，脉冲频率为15Hz，激光头以2.5mm/s的速率直线行走，通过逐行扫描完成对样品整个表面的重熔处理。熔池搭接重叠率为90%。处理过程采用流动Ar气对熔池进行保护。通过上述步骤的实施获得具有5μm以下均匀分布的初晶硅和分布于初晶硅颗粒间隙的Al-Si共晶组织的的表层，表层厚度为1.4mm。将表面处理前后的样品用常规的显微镜进行截面解剖观察，得到处理前后表层微观组织的图像，见图5(a)至图5(c)，其中，图5(a)为处理之后的表面改性层低倍照片，放大50倍；(b)处理前的图像，放大500倍；(c)为处理后的图像，放大500倍。从图5(a)至图5(c)可以看出，与处理前相比，处理后的材料表面的硅颗粒的微观组织更细小也更均匀。
本发明方法在不影响材料化学成分和材料整体性能的前提下对材料表层进行激光表面改性处理，使材料表层形成微观均匀、无缺陷的微米或亚微米超细组织，实现表面硬化的功能。该方法可用于几乎所有常规制备技术制备的铝硅材料的表层组织细化和表面硬化处理，尤其适用于小尺寸的铝硅耐磨零部件的局部或整体表面硬化改性处理。同时该方法简单易行，且不用添加其他辅助材料。