[发明专利]一种基于梯度熔覆的镁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于梯度熔覆的镁基复合材料及其制备方法，制备时采用激光熔覆技术在镁合金基体上进行梯度熔覆，首先熔覆Al粉末作为过渡层，继续熔覆Al‑Ti‑Ni/C混合粉末作为保护层。梯度熔覆的涂层致密、无裂纹，各层之间呈良好冶金结合，涂层的硬度、耐磨性及耐蚀性均较基体有大幅度提高，扩展了镁合金在腐蚀与磨损环境下的应用范围。

技术领域

本发明涉及一种镁基复合材料及其制备方法，具体涉及一种基于梯度熔覆的镁基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、可重复回收利用等特点，已经在汽车、航空航天等领域获得广泛应用，然而其硬度低、耐磨及耐蚀性差，在高温、高速、重载、磨损及腐蚀性环境中工作时易过早失效，限制了其应用范围。借助于表面改性技术，在保持材料原有性能的前提下，提高镁合金的表面性能，使其能适应严苛的工作环境，能进一步拓宽镁合金的应用领域，具有一定的经济价值与应用前景。

镁合金表面改性技术有阳极氧化、微弧氧化、化学转化、电镀、气相沉积、等离子喷涂等，但普遍存在表面改性层薄、孔隙率高、致密度差、与基体结合不紧密、成本高、环境不友好等问题。激光熔覆技术能量密度大、加热与冷却速度快、热影响区小，制备的涂层致密度高、与基体结合牢固，是一种较理想的镁合金表面改性技术。

镁合金的熔点沸点低，在大功率激光熔覆过程中蒸发严重，因此实际使用时通常会限制激光器的能量输入，但能量输入降低会使涂层的厚度无法增加、高熔点的粉末难以熔化，使最终制备的涂层较薄、表面成形差，甚至无法成形。如能采用梯度熔覆的方法，先熔覆一层与镁合金熔点沸点等热物理性质差异小的涂层材料；再在其上熔覆一层高熔点防腐耐磨涂层材料，可以较好地解决此问题。一方面多层熔覆可增加涂层厚度，避免镁合金在表面磨损的工况条件下及腐蚀性介质中过早暴露；另一方面上部熔覆时可采用大功率，避免在镁合金表面直接熔覆而产生的蒸发严重、稀释率高的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种基于梯度熔覆的镁基复合材料及其制备方法，具体是在镁合金基体上依次熔覆Al以及Al-Ti-Ni/C粉末材料制备的镁基复合材料，通过在镁合金表面形成梯度熔覆涂层，改善镁合金表面的硬度、耐磨性及耐蚀性。

本发明提供了一种基于梯度熔覆的镁基复合材料及其制备方法，所述的镁基复合材料是以镁合金作为基体，采用Nd：YAG激光器在其表面依次熔覆中间过渡层及上部保护层。本发明采用预涂覆法，先把粉末用粘合剂调成糊状，涂覆于基体Mg之上，再进行激光照射熔覆。本发明采用Nd：YAG激光器在镁合金表面进行梯度熔覆，首先熔覆Al粉末制备过渡层，继续熔覆Al-Ti-Ni/C混合粉末制备保护层，从而形成具有良好冶金结合、性能优良的梯度涂层，满足其在磨损、腐蚀条件下的使用要求。

铝与镁的热物理性质相近，如Al的熔点为660℃，仅略高于镁（649℃），两者浸润性好，同时铝的硬度高于镁，且具有良好的耐蚀性。镁合金表面激光熔覆时以Al作为过渡层，使用较小激光能量即可使Al粉与少量镁基体表面同时熔化，冷却凝固后形成牢固冶金连接，减少镁基体蒸发，防止界面剥离及出现裂纹气孔等缺陷。因此，本发明选用铝粉末作为镁合金梯度熔覆的过渡层材料。

本发明上部保护层采用高性能混合金属粉末作为熔覆材料。由于Al过渡层的存在，激光不直接作用于镁基体表面，不存在镁的蒸发及稀释率高的问题，可选用较大的激光能量，因此可选择的粉末体系范围较广。二元金属粉、三元金属粉、金属与陶瓷混合粉末等均可使用，但要考虑所选熔覆粉末材料应与Al中间过渡层材料具有良好的热物理相容性及浸润性，以保证中间过渡层与保护层结合良好。本发明使用Al、Ti及Ni/C(镍包碳)混合粉末作为上部保护层激光熔覆粉末。其中Al粉的含量较多，以保证中间层与保护层界面结合良好、性能梯度过渡；Ti及Ni/C粉的加入可与Al形成Al₃Ti、AlNi、Ti₃AlC₂等金属间化合物及TiC陶瓷增强相，提高硬度、耐磨性及耐蚀性。