一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料

摘要

本公开涉及轻质合金连接技术领域，具体为一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，包括如下重量百分数的原料Mg：1.3％～3.4％，Er：0.1～1.2％，Sm：0.2～0.9％，B4C：0.5～4.7％，Si3N4：3.2～6.8％，ZrO2：2.3％～7.2％，Al为余量。基于铝‑镁合金独特的物理化学性质，本公开提供了一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，通过在铝‑镁异质合金铆接头周边区域熔覆生成一种整体防护层，大幅改善了铝‑镁异质合金铆接头的力学性能、耐磨性能及防腐性能。

说明书

技术领域

本发明涉及轻质合金连接技术领域，具体为一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

能源短缺和环境污染是当今世界的突出问题，减轻自身重量成为汽车、航空航天等领域减少环境污染和节约能源的有效方法。据统计汽车质量每降低100千克，油耗就可减少0.7升。在航空航天器中，结构件重量的降低带来燃油费用的减少，则是汽车工业的100倍。高的比强度高、比刚度以及优异的电磁屏蔽性能抗辐射能力强，使得镁合金在航空、航天、电子、汽车和国防军事等领域具有广泛的应用，被誉为21世纪的绿色工程材料。在汽车领域，镁合金除可用作仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、变速箱外壳等外，还被考虑用于发动机、汽车底盘等关键部位，在汽车领域具有广阔的应用前景。

铆接技术是扩大铝、镁轻质合金应用的关键技术之一，该技术由于没有热输入、可有效避免热连接所引起的界面脆相、接头软化等问题，而被广泛应用于汽车制造。然而铝-镁铆接技术同时也存在塑性变形过程铆接头内部或底座易开裂，异质材料铆接易腐蚀、松动等问题。

激光熔覆技术是二十世纪九十年代末出现的一项新兴技术，它是用高能量密度的激光束将不同成份的粉料与基体表面快速熔化，从而在基材表面形成一层与基材具有完全不同成份和性能的表面防护层。激光熔覆由于加热速度快、熔覆层的组织均匀致密，微观缺陷较少，性能优异。此外，激光熔覆对基材热影响小，不容易引起基材畸变，还具有绿色环保等优势。

陶瓷粉末材料具有高硬度、高强度及较好的耐磨耐蚀性能，可作为增强粒子。目前国内外通过激光熔覆技术将陶瓷粉末作为增强相进行基材增强的研究还主要集中在钢材领域。

发明内容

为了解决铝-镁异质金属铆接头存在的突出问题，引入了激光熔覆技术对铝-镁异质金属铆接头进行补强及表面整体防护。基于铝-镁合金独特的物理化学性质，本公开提供了一种改善铝-镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，通过在铝-镁异质合金铆接头周边区域熔覆生成一种整体防护层，大幅改善了铝-镁异质合金铆接头的力学性能、耐磨性能及防腐性能。

具体地，本公开的技术方案如下所述：

在本公开的第一方面，本公开提供了一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，包括如下重量百分数的原料Mg：1.3％～3.4％，Er：0.1～1.2％，Sm：0.2～0.9％，B

在本公开的第二方面，本公开提供了一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，包括：

采用机械方法对铝-镁异质金属铆接件进行表面处理，使其表面平整，连接处平稳过渡，便于激光熔覆；选用上述的激光熔覆粉料对铝-镁异质金属铆接件的连接区进行激光熔覆。

在本公开的第三方面，本公开提供了一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料和/或一种激光熔覆成形改善铝-镁异质金属铆接头的方法在轻质合金连接技术领域中的应用。

本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：

(1)、B

(2)、以Al作为主粘结剂，并添加一定量的Mg来调节Al/Mg比控制析出强化相的析出种类；添加稀土元素Er、Sm，可改善激光熔覆层的晶粒尺寸、形貌和原位自生析出强化相的分布形态。该金属-陶瓷混合粉料，能够在保持B

(3)、利用上述激光熔覆粉料进行连接处理，所得防护层组织致密，晶粒细小，并含有纳米级增强相，可大幅提高铝-镁异质金属铆接头的力学性能、耐磨性能及抗腐蚀性能，对于扩大铝、镁合金的工程化应用具有重要意义。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

以下，结合附图来详细说明本公开的实施方案，其中：

图1是实施例1利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行整体熔覆后的微观组织图；

图2是实施例2利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在5052-AM60铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆后的微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，铝-镁铆接过程中存在塑性变形过程铆接头内部或底座易开裂，异质材料铆接易腐蚀、松动等问题，为了解决上述问题，本公开提供了一种改善铝-镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料。

在本公开的一种实施方式中，提供了一种改善铝镁异质金属铆接头性能的激光熔覆粉料，包括如下重量百分数的原料Mg：1.3％～3.4％，Er：0.1～1.2％，Sm：0.2～0.9％，B

进一步地，所述激光熔覆粉料由以下重量百分数的原料组成：Mg：1.3％～2.7％，Er：0.1～0.6％，Sm：0.6～0.9％，B

进一步地，所述激光熔覆粉料由以下重量百分数的原料组成：Mg：2.7％～3.4％，Er：0.6～1.2％，Sm：0.2～0.6％，B

进一步地，所述激光熔覆粉料满足以下条件：Er+Sm＞1.2％，B

进一步地，所述激光熔覆粉料粒径60～160μm。

在本公开的一种实施方式中，提供了一种激光熔覆成形改善铝-镁异质金属铆接头的方法，包括：

采用机械方法对铝-镁异质金属铆接件进行表面处理，使其表面平整，连接处平稳过渡，便于激光熔覆；选用上述的激光熔覆粉料对铝-镁异质金属铆接件的连接区进行激光熔覆。

进一步地，所述激光熔覆工艺如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1.5～2.5cm；优选的，为2cm。

进一步地，送粉口径为1.5～3mm，优选的，为2mm。

进一步地，送粉喷嘴与母材成50～65°夹角，优选的，为60°夹角。

进一步地，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为3～8L/min和9～12L/min，优选的，载气和保护气体流量分别为5L/min和10L/min。

进一步地，熔覆过程中，激光器离焦量为11～19mm，激光功率在1300W～2800W之间，激光光斑为3～4.5mm，扫描速度为0.2m/min～0.8m/min。

进一步地，所述激光器离焦量为13mm。

进一步地，所述激光功率为2400W。

进一步地，所述激光光斑为3.5mm。

进一步地，所述扫描速度为0.5m/min。

通过激光熔覆技术将激光熔覆粉料在铆接头周边区域形成一层防护层，改善铝-镁异质金属铆接头的拉伸性能、耐磨性能和防腐性能。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

对5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行激光熔覆：

(1)用机械方法去除5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面氧化层，并使其表面平整，连接处平稳过渡，再用丙酮清理板材表面以去除各种杂质，便于激光熔覆；

(2)采用以下工艺对5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头周边进行激光熔覆：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为2.5cm，送粉口径为3.5mm，送粉喷嘴与母材成65°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为6.5L/min和8.5L/min。激光器离焦量为10mm，激光功率为1800W，激光光斑为3mm，扫描速度为0.4m/min。

(3)激光熔覆过程所用激光熔覆粉料组分如下：。

Mg：1.7％，Er：0.5％，Sm：0.8％，B

利用激光熔覆技术将所配激光熔覆粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆后，其微观组织如图1所示。激光熔覆之后，5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4315N提高到了5346N；拉剪强度由6583N提高到了8317N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明不同于基体磨损表面深而宽的犁沟，熔覆层出现了以磨粒磨损为特征的细小犁沟，熔覆层相对于基体的耐磨性提高了3.28倍。

将激光熔覆前后的5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1600N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前大幅高出41％。

实施例2

对5052-AM60铝-镁异质金属铆接头进行激光熔覆：

(1)用机械方法去除5052-AM60铝-镁异质金属铆接头表面氧化层，并使其表面平整，连接处平稳过渡，再用丙酮清理板材表面以去除各种杂质，便于激光熔覆；

(2)对5052-AM60铝-镁异质金属铆接头进行激光熔覆的具体工艺如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1.5cm，送粉口径为3mm，送粉喷嘴与母材成60°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为7.5L/min和10.5L/min。激光器离焦量为13.5mm，激光功率为1700W，激光光斑为3mm，扫描速度为0.55m/min。

(3)激光熔覆过程所用激光熔覆粉料如下：Mg：3.1％，Er：0.7％，Sm 0.6％，B

利用激光熔覆技术将激光熔覆粉料在5052-AM60铝-镁异质金属铆接头进行熔覆的微观组织如图2所示。激光熔覆之后，5052-AM60铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4532N提高到了5671N；拉剪强度由6743N提高到了8926N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明不同于基体磨损表面深而宽的犁沟，熔覆层出现了以磨粒磨损为特征的细小犁沟，熔覆层相对于基体的耐磨性提高了2.94倍。

将激光熔覆前后的5052-AM60铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1650N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前大幅高出37％。

对比例1：

该对比例1与实施例1的区别在于：

激光熔覆过程所用激光熔覆粉料组分如下：Mg：1.7％，Er：0.1％，Sm：0.8％，B

利用激光熔覆技术将所配激光熔覆粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆。因对比例1中，进行微合金化的稀土元素用量不足，导致熔覆之后接头性能偏低，特别是强度和盐雾疲劳寿命提升幅度较小。激光熔覆之后，5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4315N提高到了4927N；拉剪强度由6583N提高到了7768N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明熔覆层相对于基体的耐磨性仅提高了3.01倍。

将激光熔覆前后的5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1600N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前高出17％。

对比例2：

该对比例2与实施例1的区别在于：

激光熔覆过程所用激光熔覆粉料组分如下：Mg：1.7％，Er：0.5％，Sm：0.8％，B

利用激光熔覆技术将所配激光熔覆粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆。因对比例2中，硬质陶瓷颗粒用量不足，导致熔覆之后接头性能偏低，特别是耐磨性提升幅度较小。激光熔覆之后，5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4315N提高到了5137N；拉剪强度由6583N提高到了8129N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明熔覆层相对于基体的耐磨性仅提高了2.07倍。

将激光熔覆前后的5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1600N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前高出37％。

对比例3：

该对比例3与实施例1的区别在于：

激光熔覆过程所用激光熔覆粉料组分如下：Mg：1.7％，B

利用激光熔覆技术将所配激光熔覆粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆。因对比例3中，未添加稀土元素进行微合金化，导致熔覆之后接头晶粒粗大、性能很差，接头的强度和盐雾疲劳寿命几乎没有太大提升，因微观组织粗大与硬质陶瓷颗粒的协调性变差，所以接头耐磨性也有一定程度的降低。激光熔覆之后，5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4315N提高到了4457N；拉剪强度由6583N提高到了6691N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明熔覆层相对于基体的耐磨性仅提高了2.4倍。

将激光熔覆前后的5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1600N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前高出9％。对比例4：

该对比例4与实施例1的区别在于：

激光熔覆过程所用激光熔覆粉料组分如下：Mg：1.7％，Er：0.5％，Sm：0.8％，，Al为余量。

利用激光熔覆技术将所配激光熔覆粉料在5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头表面进行熔覆。因对比例4中，没有添加硬质陶瓷颗粒，导致熔覆之后接头性能很差，接头的耐磨性只有稀土元素对微观组织改善带来的提升，提升幅度非常小，强度和盐雾疲劳寿命也受到一定程度的影响。激光熔覆之后，5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头的十字拉伸强度由4315N提高到了5087N；拉剪强度由6583N提高到了8036N。

切取激光熔覆前后铆接样品进行耐磨性能测试，结果表明熔覆层相对于基体的耐磨性仅提高了0.8倍。

将激光熔覆前后的5154-AZ31铝-镁异质金属铆接头进行抗腐蚀对比试验：先将激光熔覆前后的铆接头放入盐雾箱中，进行30天的标准中性盐雾(5％NaCl)，再在1600N的载荷水平下，进行疲劳寿命测试，激光熔覆后的铆接头疲劳寿命比熔覆之前高出31％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。