一种复合材料及其制备方法
阅读：1034发布：2020-06-26
专利汇可以提供一种复合材料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 复合材料 ，在 铝 合金 基体内均匀分布有氮化 硼 、 氧 化 硅 、三氧化钨颗粒，二硫化钼可提高减摩性。基体表面具有三层梯度沉积层可有效提高合金表面的 耐磨性 及硬度。合金中Zn、Sr、Ho、Cu、Au、Mg、Pd、Si、Al、Ni、W、Fe等元素强化相弥散强化从而提高材料的 力 学性能。制备方法上通过激光沉积形成陶瓷层，促使沉积层内原生氧化铝颗粒，结合超声表面滚压进一步提升硬度和耐磨性，复合材料表面陶瓷化后同时兼顾陶瓷耐高温，金属耐低温的特性使得本发明可以应用于需要同时耐高温和耐低温的零件加工领域。表面渗氮工艺可增强复合材料的耐 腐蚀 性。，下面是一种复合材料及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种复合材料，其特征在于：在铝合金的基体内均匀分布有氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒，铝合金基体表面有三层连续的梯度沉积层，三层梯度沉积层由激光在铝合金基体上逐层沉积铝合金/陶瓷材料粉末制备，根据沉积先后顺序依次为第一沉积层、第二沉积层、第三沉积层，铝合金/陶瓷材料粉末由80～95wt％铝合金基体粉末和5～
20wt％陶瓷材料粉末组成，所述陶瓷材料由25～33wt％碳化硅、15～25wt％三氧化二硼，25～35wt％硼化钛，15～20wt％二氧化硅，1～5wt％氧化钙组成；所述第三沉积层表面有渗氮层；
所述铝合金的基体成分按照重量百分含量为：0.1-0.5％Cu，0.004-0.006％Au，0.8-
1.2％Mg，0.04-0.07％Pd，0.05-0.08％Ni，0.2-0.6％Zn，0.2-0.4％Sr，0.02-0.08％Ho，3-
8％Si，0.04-0.07％Fe，0.002-0.008％W，余量为Al。
2.根据权利要求1中所述的一种复合材料，其特征在于：所述混合物颗粒中氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼的相对重量比为1.1-1.4：1：1：0.03，混合物颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3-5％，混合物颗粒的粒径为10-13微米。
3.根据权利要求1中所述的一种复合材料，其特征在于：所述第一沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为95wt％铝合金基体粉末和5wt％陶瓷材料粉末；所述第二沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为88wt％铝合金基体粉末和12wt％陶瓷材料粉末；所述第三沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为80wt％铝合金基体粉末和20wt％陶瓷材料粉末。
4.根据权利要求3中所述的一种复合材料，其特征在于：所述铝合金/陶瓷材料粉末的平均粒径为0.1～1mm，所述梯度沉积层的厚度为4～6mm，所述铝合金基体的厚度为20～
40mm，所述渗氮层厚度为60～150μm。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下具体步骤：
(1)将铝合金基体放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为810～830℃，保温50-70分钟后得到母合金液，待用；然后称取取氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合均匀制备混合物粉备用；
(2)取直径为6～8毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出50～60毫米，将金属丝的一半长度蘸环氧树脂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置4～6小时后，用未蘸环氧树脂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为50～60mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；
(3)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为680～710℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温20～40min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中，自然冷却后，取出铸件，将铸件切割为厚20～40mm的板材；
(4)采用氩气作为载流气体将预配的铝合金/陶瓷材料粉末送至板材上表面沉积区域，送粉精度达到0.1g/min，随后刮平粉末，粉末层厚度为5～7mm；
(5)采用光纤激光器扫射沉积区域，激光功率1.6～3.8KW，激光束直径为20～40mm，扫描速度5～9mm/s，定位精度达到0.1mm，加工区域填充氩气至0.1～0.5MPa进行惰性气体保护，水氧含量降至低于100ppm，激光沉积加工后吹氩气冷却至室温形成第一沉积层；
(6)在第一沉积层上重复步骤(4)和(5)，形成第二沉积层，在第二沉积层上继续重复步骤(4)和(5)形成第三沉积层；
(7)将含有三层梯度沉积层的板材固溶时效:温度为480～500℃固溶60mim之后在常温水中冷却，然后在120～180℃时效12～48h，再加热至490℃温度中均质化20～30h，取出后空冷至常温；
(8)板材经磨光抛光后，采用超声表面滚压装置进行表面纳米化，超声频率25～40kHz加工时振幅为30μm，载荷为300N，机床转速为200r/min，进给速度为0.07mm/rev，超声表面滚压完成后样品每平方毫米被直径为10mm的硬质合金钢球冲击2.1～3.5×104次；
-4
(9)将板材放入腔室内抽真空至0.5～1×10 ，关闭腔室，测定腔室漏气率≤8Pa/h；通入氨气，用3～8w％NaOH冲洗第三沉积层表面，45min后，抽出炉内的氨气，并注入高纯氮气至500～700Pa后开始升温，，待样品表面温度达到560～640℃时，渗氮6～9h；
(10)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至300～400℃固溶1.5h，水冷；加热至100～
110℃时效50～100h。
6.根据权利要求3中所述的一种复合材料的制备方法，其特征在于：所述黏土砂型由水、高岭土和锆英砂制备，锆英砂粒径为60-80目，高岭土为锆英砂的9-13wt％，将高岭土和锆英砂放入混砂机后干混10-15min后，在混砂机中加入锆英砂9-11wt％的水，继续混碾20-
25分钟后，取出造型，形成型腔，砂型底部厚65～75mm。
7.根据权利要求3中所述的一种复合材料的制备方法，其特征在于：所述载流气体压力为0.2MPa，载体流量2.2L/min，送粉速度为2g/min。
一种复合材料及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 目前，国内外常用的铝合金表面改性技术主要有镀层技术(电镀、化学镀、阳极氧化)，气相沉积(PVD,CVD)，热喷涂技术(电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂)、高能束(激光、离子束、电子束)表面改性技术等多种方法。传统铝合金表面改性技术(镀层技术、气相沉积、热喷涂技术)虽均可在一定程度上提高铝合金硬度、耐磨性，但仍然存在一些不可避免的局限性。如镀层技术存在制得镀膜层不够致密，铬酸盐具有毒性、对环境污染严重，三废处理费用高昂、危害人类健康等不足之处。PVD与CVD实验条件较苛刻，如:涂层太薄，仅为微米级；需高温、高真空以及高纯材料，并且伴有环境污染问题。热喷涂涂层组织结构为层状结构，在涂层内部存在大量孔隙和氧化物夹杂。导致涂层气孔率较大，结合强度有限，往往存在开裂和剥落等问题。不能承受机械在高速、高载荷下的工况条件。激光表面处理技术相比其它传统表面处理方法优点在于:(1)涂层与基体间为冶金结合；(2)强化层厚而致密、组织细小、硬度高、耐磨性好；(3)热输入小，生产周期短，工件变形小；(4)无环境污染，是一种拥有发展前途的绿色制造技术。
[0003] 梯度材料是一种与均质材料、复合材料完全不同的全新型非均质材料，其主要思想是将金属、陶瓷、塑料等不同物质复合在一起，形成具有梯度功能的材料。主要方式包括表面改性和整体层状结构两大类。表面改性的原理是以金属或陶瓷为基体，利用物理或化学方法，组成具有新性能的单层、多层或连续梯度结构。整体层状结构的中心思想是利用逐层分布的方法将不同种类材料结合在一起，形成具有多种功能的新型材料。
[0004] 离子渗氮是最常见的有效表面硬化方法之一，这种化学热处理可以改善表面硬度和接触耐久性耐磨性，这种方法在钢铁材料表面改性方面获得了巨大的成功。但是在铝合金上的使用还依然停留在实验室阶段，无法进行工业化量产。原因如下所述:(1)铝合金渗氮过程依靠的是A1原子和活性N原子的结合，但是N原子在A1晶格中的固溶度很低，很难形成有效的渗氮层；(2)铝合金表面极易形成一层自然的致密保护膜，这层保护膜阻碍了N原子的进入；(3)离子渗氮形成的A1N的电阻很大，渗氮过程辉光放电，并且随着渗氮过程的进行 A1N层会变厚导致放电电流过小，这会影响放电过程，也就导致很难形成一层较厚的渗氮层； (4)一般铝合金的固溶温度较低，这导致离子渗氮温度不能过高，降低了N原子活性，不利于A1N的形成。
[0005] CN104109782A提供了一种铝合金材料、铝合金耐磨件及其制备方法。该铝合金材料包括按重量百分含量计的：8～13％的硅、1～3％的铜、1～2％的锌、低于0.9％的铁、低于0.9％的锰、低于0.3％的镁和低于0.5％的镍，其余为铝。具有上述组成的铝合金材料，提高了以其为原料所得工件的机械强度，并改善了工件的耐磨性和加工特性；且铝合金材料中的锌含量较高能够进一步提高工件的强度，进而有效地降低工件的摩擦系数，改善工件的耐磨性；同时，镁含量控制在0.3％以下，能够有效防止工件产生脆性相，降低工件的延展性，改善工件的耐磨性，延长工件的使用时间。
[0006] 上述发明仅通过改变铝合金材料的组分提高铝合金的耐磨性，虽然可以一定程度上增强铝合金的耐磨性，但作用有限，而且无法满足同时处于两种极限环境下的使用要求，如航空发动机上铝合金材料的严苛要求，且无法兼顾材料的耐腐蚀性，长时间使用可因环境腐蚀而导致材料的机械强度和力学性能下降，影响材料的应用。
发明内容
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
[0009] 一种复合材料，在铝合金的基体内均匀分布有氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒，铝合金基体表面有三层连续的梯度沉积层，三层梯度沉积层由激光在铝合金基体上逐层沉积铝合金/陶瓷材料粉末制备，根据沉积先后顺序依次为第一沉积层、第二沉积层、第三沉积层，铝合金/陶瓷材料粉末由80～95wt％铝合金基体粉末和5～20wt％陶瓷材料粉末组成，所述陶瓷材料由25～33wt％碳化硅、15～25wt％三氧化二硼，25～35wt％硼化钛，15～20wt％二氧化硅，1～5wt％氧化钙组成；所述第三沉积层表面有渗氮层；
[0010] 所述铝合金的基体成分按照重量百分含量为：0.1-0.5％Cu，0.004-0.006％Au，0.8-1.2％Mg， 0.04-0.07％Pd，0.05-0.08％Ni，0.2-0.6％Zn，0.2-0.4％Sr，0.02-0.08％Ho，3-8％Si，0.04-0.07％Fe， 0.002-0.008％W，余量为Al。
[0011] 优选地，所述混合物颗粒中氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼的相对重量比为1.1-1.4： 1：1：0.03，混合物颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3-5％，混合物颗粒的粒径为10-13 微米。
[0012] 优选地，所述第一沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为95wt％铝合金基体粉末和 5wt％陶瓷材料粉末；所述第二沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为88wt％铝合金基体粉末和12wt％陶瓷材料粉末；所述第三沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为80wt％铝合金基体粉末和20wt％陶瓷材料粉末。
[0013] 优选地，所述铝合金/陶瓷材料粉末的平均粒径为0.1～1mm，所述梯度沉积层的厚度为 4～6mm，所述铝合金基体的厚度为20～40mm，所述渗氮层厚度为60～150μm。
[0014] 一种上述复合材料的制备方法，包含如下具体步骤：
[0016] (2)取直径为6～8毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出50～60毫米，将金属丝的一半长度蘸环氧树脂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置4～6小时后，用未蘸环氧树脂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为50～60mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；
[0017] (3)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为680～710℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温20～40min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中，自然冷却后，取出铸件，将铸件切割为厚20～40mm的板材；
[0018] (4)采用氩气作为载流气体将预配的铝合金/陶瓷材料粉末送至板材上表面沉积区域，送粉精度达到0.1g/min，随后刮平粉末，粉末层厚度为5～7mm；
[0019] (5)采用光纤激光器扫射沉积区域，激光功率1.6～3.8KW，激光束直径为20～40mm，扫描速度5～9mm/s，定位精度达到0.1mm，加工区域填充氩气至0.1～0.5MPa进行惰性气体保护，水氧含量降至低于100ppm，激光沉积加工后吹氩气冷却至室温形成第一沉积层；
[0020] (6)在第一沉积层上重复步骤(4)和(5)，形成第二沉积层，在第二沉积层上继续重复步骤(4)和(5)形成第三沉积层；
[0021] (7)将含有三层梯度沉积层的板材固溶时效:温度为480～500℃固溶60mim之后在常温水中冷却，然后在120～180℃时效12～48h，再加热至490℃温度中均质化20～30h，取出后空冷至常温；
[0022] (8)板材经磨光抛光后，采用超声表面滚压装置进行表面纳米化，超声频率25～40kHz 加工时振幅为30μm，载荷为300N，机床转速为200r/min，进给速度为0.07mm/rev，超声表面滚压完成后样品每平方毫米被直径为10mm的硬质合金钢球冲击2.1～3.5×104次；
[0023] (9)将板材放入腔室内抽真空至0.5～1×10-4，关闭腔室，测定腔室漏气率≤8Pa/h；通入氨气，用3～8w％NaOH冲洗第三沉积层表面，45min后，抽出炉内的氨气，并注入高纯氮气至500～700Pa后开始升温，，待样品表面温度达到560～640℃时，渗氮6～9h；
[0024] (10)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至300～400℃固溶1.5h，水冷；加热至 100～110℃时效50～100h。
[0025] 优选地，所述黏土砂型由水、高岭土和锆英砂制备，锆英砂粒径为60-80目，高岭土为锆英砂的9-13wt％，将高岭土和锆英砂放入混砂机后干混10-15min后，在混砂机中加入锆英砂 9-11wt％的水，继续混碾20-25分钟后，取出造型，形成型腔，砂型底部厚65～75mm。
[0026] 优选地，所述载流气体压力为0.2MPa，载体流量2.2L/min，送粉速度为2g/min。
[0027] 本发明获得的有益效果：
[0028] (1)氮化硼、氧化硅、三氧化钨的硬度高，显著提高材料的硬度及耐磨性，二硫化钼可提高减摩性。通过在纯铝金属丝上粘附氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒的方式，使得浇铸时混合粉末位于母合金液中央，有利于微粉颗粒的快速扩散和均质，无须反复熔炼均化，提高生产效率。
[0029] (2)铝合金基体中Zn、Sr、Ho提高合金液与外来粒子的润湿性，可实现细晶强化，即通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。Cu、Au、Mg、Pd、Si、Al可实现固溶强化，合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。Ni、 W、Fe可以形成高熔点的化合物，弥散分布在基体中。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料的力学性能。
[0030] (3)通过激光沉积铝合金/陶瓷材料粉末形成三层梯度沉积层，有效的将陶瓷材料与铝合金材料紧密结合，沉积层致密且层与层之间结合紧密，复合沉积陶瓷材料后可显著提升铝合金基材的耐磨性和耐腐蚀性，激光沉积的高温还可促使沉积层内原生氧化铝颗粒，进一步提升硬度和耐磨性，复合材料表面陶瓷化后同时兼顾陶瓷耐高温，金属耐低温的特性使得本发明可以应用于需要同时耐高温和耐低温的零件加工领域。
[0031] (4)表面渗氮工艺可以进一步保护复合材料表面，增强复合材料的耐腐蚀性，提高材料的使用时间。通过表面纳米工艺对梯度沉积层进行超声表面滚压，进一步强化复合材料表面的硬度和耐磨性。
具体实施方式
[0032] 下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0033] 实施例1：按如下方法制备复合材料：
[0034] 一、原料的准备：
[0035] 铝合金/陶瓷材料粉末由80～95wt％铝合金基体粉末和5～20wt％陶瓷材料粉末组成，所述陶瓷材料由29wt％碳化硅、15wt％三氧化二硼，35wt％硼化钛，20wt％二氧化硅，1wt％氧化钙组成；
[0036] 铝合金的基体成分按照重量百分含量为：0.1％Cu，0.004％Au，0.8％Mg，0.04％Pd，0.05％Ni， 0.2％Zn，0.2％Sr，0.02％Ho，3％Si，0.04％Fe，0.002％W，余量为Al。
[0037] 混合物颗粒中氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼的相对重量比为1.1：1：1：0.03，混合物颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3％，混合物颗粒的粒径为10微米。
[0038] 第一沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为95wt％铝合金基体粉末和5wt％陶瓷材料粉末；第二沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为88wt％铝合金基体粉末和12wt％陶瓷材料粉末；第三沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为80wt％铝合金基体粉末和20wt％陶瓷材料粉末，逐层增加陶瓷材料在粉末中的比例，使得沉积各层之间结合紧密，采用过渡方式也使得基体与沉积层之间的结合更为紧密，不易受力剥离。铝合金/陶瓷材料粉末的平均粒径为0.1mm。
[0039] 二、复合材料的制备
[0040] (1)将铝合金基体放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为810℃，保温50分钟后得到母合金液，待用；然后称取取氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合均匀制备混合物粉备用；
[0041] (2)黏土砂型由水、高岭土和锆英砂制备，锆英砂粒径为60目，高岭土为锆英砂的9wt％，将高岭土和锆英砂放入混砂机后干混10min后，在混砂机中加入锆英砂9wt％的水，继续混碾 20分钟后，取出造型，形成型腔，砂型底部厚65mm。
[0042] (3)取直径为6毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出50毫米，将金属丝的一半长度蘸环氧树脂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置4小时后，用未蘸环氧树脂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为50mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；
[0043] (4)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为680℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温20min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中，自然冷却后，取出铸件，将铸件切割为厚20mm的板材；
[0044] (5)采用氩气作为载流气体将预配的铝合金/陶瓷材料粉末送至板材上表面沉积区域，载流气体压力为0.2MPa，载体流量2.2L/min，送粉速度为2g/min，送粉精度达到0.1g/min，随后刮平粉末，粉末层厚度为5mm；
[0045] (6)采用光纤激光器扫射沉积区域，激光功率1.6KW，激光束直径为20mm，扫描速度 5mm/s，定位精度达到0.1mm，加工区域填充氩气至0.1MPa进行惰性气体保护，水氧含量降至低于100ppm，激光沉积加工后吹氩气冷却至室温形成第一沉积层；
[0046] (7)在第一沉积上重复步骤(5)和(6)，形成第二沉积层，在第二沉积层上继续重复步骤(5)和(6)形成第三沉积层；
[0047] (8)将含有三层梯度沉积层的板材固溶时效:温度为480℃固溶60mim之后在常温水中冷却，然后在120℃时效12h，再加热至490℃温度中均质化20h，取出后空冷至常温；
[0048] (9)板材经磨光抛光后，采用超声表面滚压装置进行表面纳米化，超声频率25kHz加工时振幅为30μm，载荷为300N，机床转速为200r/min，进给速度为0.07mm/rev，超声表面滚压完成后样品每平方毫米被直径为10mm的硬质合金钢球冲击2.1×104次；
[0049] (10)将板材放入腔室内抽真空至0.5×10-4，关闭腔室，测定腔室漏气率≤8Pa/h；通入氨气，用3w％NaOH冲洗第三沉积层表面腐蚀去除氧化物层，45min后，抽出炉内的氨气，并注入高纯氮气至500Pa后开始升温，，待样品表面温度达到560℃时，渗氮6h；
[0050] (11)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至300℃固溶1.5h，水冷；加热至100℃时效50h。
[0051] 梯度沉积层、渗氮层和铝合金基材元素分析利用JEOL SUPERPROBE 733电子探针(El ectron Probe Microscopy-analyzer,EPMA)对复合材料截面进行微区(包括线扫描或面扫描)分析，研究元素在复合材料内的分布特点。利用PN5502型X射线能谱(Energy Distribution Sp ectroscopy EDS)和EDMAX能谱仪分析铝合金基体及铝基材料所含元素的相对含量和分布特点。
[0052] 测得在在铝合金的基体内均匀分布有氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒，铝合金基体表面有三层连续的梯度沉积层，第三沉积层表面有渗氮层；所述梯度沉积层的厚度为4mm，所述渗氮层厚度为60μm。
[0053] 实施例2：按如下方法制备复合材料：
[0054] 一、原料的准备：
[0055] 铝合金/陶瓷材料粉末由80～95wt％铝合金基体粉末和5～20wt％陶瓷材料粉末组成，所述陶瓷材料由25wt％碳化硅、25wt％三氧化二硼，25wt％硼化钛，20wt％二氧化硅，5wt％氧化钙组成；
[0056] 铝合金的基体成分按照重量百分含量为：0.5％Cu，0.006％Au，1.2％Mg，0.07％Pd，0.08％Ni， 0.6％Zn，0.4％Sr，0.08％Ho，8％Si，0.07％Fe，0.008％W，余量为Al。
[0057] 混合物颗粒中氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼的相对重量比为1.4：1：1：0.03，混合物颗粒在铝合金基体中的重量百分比为5％，混合物颗粒的粒径为13微米。
[0058] 第一沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为95wt％铝合金基体粉末和5wt％陶瓷材料粉末；第二沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为88wt％铝合金基体粉末和12wt％陶瓷材料粉末；第三沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为80wt％铝合金基体粉末和20wt％陶瓷材料粉末，逐层增加陶瓷材料在粉末中的比例，使得沉积各层之间结合紧密，采用过渡方式也使得基体与沉积层之间的结合更为紧密，不易受力剥离。铝合金/陶瓷材料粉末的平均粒径为1mm。
[0059] 二、复合材料的制备
[0060] (1)将铝合金基体放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为830℃，保温70分钟后得到母合金液，待用；然后称取取氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合均匀制备混合物粉备用；
[0061] (2)黏土砂型由水、高岭土和锆英砂制备，锆英砂粒径为80目，高岭土为锆英砂的 13wt％，将高岭土和锆英砂放入混砂机后干混15min后，在混砂机中加入锆英砂11wt％的水，继续混碾25分钟后，取出造型，形成型腔，砂型底部厚75mm。
[0062] (3)取直径为6～8毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出60毫米，将金属丝的一半长度蘸环氧树脂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置6小时后，用未蘸环氧树脂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为60mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；
[0063] (4)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为710℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温40min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中，自然冷却后，取出铸件，将铸件切割为厚40mm的板材；
[0064] (5)采用氩气作为载流气体将预配的铝合金/陶瓷材料粉末送至板材上表面沉积区域，载流气体压力为0.2MPa，载体流量2.2L/min，送粉速度为2g/min，送粉精度达到0.1g/min，随后刮平粉末，粉末层厚度为7mm；
[0065] (6)采用光纤激光器扫射沉积区域，激光功率3.8KW，激光束直径为40mm，扫描速度 9mm/s，定位精度达到0.1mm，加工区域填充氩气至0.5MPa进行惰性气体保护，水氧含量降至低于100ppm，激光沉积加工后吹氩气冷却至室温形成第一沉积层；
[0066] (7)在第一沉积上重复步骤(5)和(6)，形成第二沉积层，在第二沉积层上继续重复步骤(5)和(6)形成第三沉积层；
[0067] (8)将含有三层梯度沉积层的板材固溶时效:温度为500℃固溶60mim之后在常温水中冷却，然后在180℃时效12～48h，再加热至490℃温度中均质化30h，取出后空冷至常温；
[0068] (9)板材经磨光抛光后，采用超声表面滚压装置进行表面纳米化，超声频率40kHz加工时振幅为30μm，载荷为300N，机床转速为200r/min，进给速度为0.07mm/rev，超声表面滚压完成后样品每平方毫米被直径为10mm的硬质合金钢球冲击3.5×104次；
[0069] (10)将板材放入腔室内抽真空至1×10-4，关闭腔室，测定腔室漏气率≤8Pa/h；通入氨气，用8w％NaOH冲洗第三沉积层表面，45min后，抽出炉内的氨气，并注入高纯氮气至700Pa 后开始升温，，待样品表面温度达到640℃时，渗氮9h；
[0070] (11)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至400℃固溶1.5h，水冷；加热至110℃时效100h。
[0071] 梯度沉积层、渗氮层和铝合金基材元素分析利用JEOL SUPERPROBE 733电子探针(El ectron Probe Microscopy-analyzer,EPMA)对复合材料截面进行微区(包括线扫描或面扫描)分析，研究元素在复合材料内的分布特点。利用PN5502型X射线能谱(Energy Distribution Sp ectroscopy EDS)和EDMAX能谱仪分析铝合金基体及铝基材料所含元素的相对含量和分布特点。
[0072] 测得在在铝合金的基体内均匀分布有氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒，铝合金基体表面有三层连续的梯度沉积层，第三沉积层表面有渗氮层；所述梯度沉积层的厚度为6mm，所述渗氮层厚度为150μm。
[0073] 实施例3：按如下方法制备复合材料：
[0074] 一、原料的准备：
[0075] 铝合金/陶瓷材料粉末由80～95wt％铝合金基体粉末和5～20wt％陶瓷材料粉末组成，所述陶瓷材料由33wt％碳化硅、20wt％三氧化二硼，30wt％硼化钛，15wt％二氧化硅，2wt％氧化钙组成；
[0076] 铝合金的基体成分按照重量百分含量为：0.3％Cu，0.005％Au，1.0％Mg，0.055％Pd， 0.065％Ni，0.4％Zn，0.3％Sr，0.05％Ho，5.5％Si，0.055％Fe，0.005％W，余量为Al。
[0077] 混合物颗粒中氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼的相对重量比为1.25：1：1：0.03，混合物颗粒在铝合金基体中的重量百分比为4％，混合物颗粒的粒径为11.5微米。
[0078] 第一沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为95wt％铝合金基体粉末和5wt％陶瓷材料粉末；第二沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为88wt％铝合金基体粉末和12wt％陶瓷材料粉末；第三沉积层采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分为80wt％铝合金基体粉末和20wt％陶瓷材料粉末，逐层增加陶瓷材料在粉末中的比例，使得沉积各层之间结合紧密，采用过渡方式也使得基体与沉积层之间的结合更为紧密，不易受力剥离。铝合金/陶瓷材料粉末的平均粒径为0.5mm。
[0079] 二、复合材料的制备
[0080] (1)将铝合金基体放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为820℃，保温60分钟后得到母合金液，待用；然后称取取氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合均匀制备混合物粉备用；
[0081] (2)黏土砂型由水、高岭土和锆英砂制备，锆英砂粒径为70目，高岭土为锆英砂的 11wt％，将高岭土和锆英砂放入混砂机后干混13min后，在混砂机中加入锆英砂10wt％的水，继续混碾25分钟后，取出造型，形成型腔，砂型底部厚70mm。
[0082] (3)取直径为7毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出55毫米，将金属丝的一半长度蘸环氧树脂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置5小时后，用未蘸环氧树脂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为55mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；
[0083] (4)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为695℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温30min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中，自然冷却后，取出铸件，将铸件切割为厚30mm的板材；
[0084] (5)采用氩气作为载流气体将预配的铝合金/陶瓷材料粉末送至板材上表面沉积区域，载流气体压力为0.2MPa，载体流量2.2L/min，送粉速度为2g/min，送粉精度达到0.1g/min，随后刮平粉末，粉末层厚度为6mm；
[0085] (6)采用光纤激光器扫射沉积区域，激光功率2.7KW，激光束直径为30mm，扫描速度 7mm/s，定位精度达到0.1mm，加工区域填充氩气至0.3MPa进行惰性气体保护，水氧含量降至低于100ppm，激光沉积加工后吹氩气冷却至室温形成第一沉积层；
[0086] (7)在第一沉积上重复步骤(5)和(6)，形成第二沉积层，在第二沉积层上继续重复步骤(5)和(6)形成第三沉积层；
[0087] (8)将含有三层梯度沉积层的板材固溶时效：温度为490℃固溶60mim之后在常温水中冷却，然后在150℃时效30h，再加热至490℃温度中均质化25h，取出后空冷至常温；
[0088] (9)板材经磨光抛光后，采用超声表面滚压装置进行表面纳米化，超声频率33kHz加工时振幅为30μm，载荷为300N，机床转速为200r/min，进给速度为0.07mm/rev，超声表面滚压完成后样品每平方毫米被直径为10mm的硬质合金钢球冲击2.8×104次；
[0089] (10)将板材放入腔室内抽真空至0.7×10-4，关闭腔室，测定腔室漏气率≤8Pa/h；通入氨气，用6w％NaOH冲洗第三沉积层表面，45min后，抽出炉内的氨气，并注入高纯氮气至
600Pa 后开始升温，待样品表面温度达到600℃时，渗氮8h；
600Pa 后开始升温，待样品表面温度达到600℃时，渗氮8h；
[0090] (11)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至350℃固溶1.5h，水冷；加热至105℃时效75h。
[0091] 梯度沉积层、渗氮层和铝合金基材元素分析利用JEOL SUPERPROBE 733电子探针(El ectron Probe Microscopy-analyzer,EPMA)对复合材料截面进行微区(包括线扫描或面扫描)分析，研究元素在复合材料内的分布特点。利用PN5502型X射线能谱(Energy Distribution Sp ectroscopy EDS)和EDMAX能谱仪分析铝合金基体及铝基材料所含元素的相对含量和分布特点。
[0092] 测得在在铝合金的基体内均匀分布有氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒，铝合金基体表面有三层连续的梯度沉积层，第三沉积层表面有渗氮层；所述梯度沉积层的厚度为5mm，所述渗氮层厚度为105μm。
[0093] 对照实施例1：其余均与实施例3相同，不同之处在于进行激光沉积时使用的采用的铝合金/陶瓷材料粉末成分均为85wt％铝合金基体粉末和15wt％陶瓷材料粉末。且未进行步骤(8) 的固溶时效步骤。
[0095] 为了测试本发明制备的耐磨材料的各项性能，将实施例1～3及对照实施例1～2中制备的合金材料作为试样进行如下实验：
[0096] (1)摩擦磨损试验
[0097] 在常温下，采用球盘式HT-1000型磨损试验机进行摩擦磨损实验。将梯度成形块沿着垂直于沉积方向切取，将三种不同状态下的每一梯度层切成尺寸为28mm*15mm*8mm的耐磨试件，对磨件为GCr 15钢球(硬度60HRC)，直径为6mm，试样固定在旋转台上，对磨钢球在试样表面做半径为6mm的圆周运动，法向载荷5N，转速为500r/min，磨损时间20min，得出摩擦系数曲线。磨损实验前后，均需要对试样进行10min超声波清洗，清洗后用精度为 0.1mg的天平对其称重，得出磨损失重。磨损失重越小的试件其耐磨性能越好，试样测试3 次，取平均值。
[0098] 表1耐磨损性能测试结果
[0099]
[0100] 上述结果表明本发明的磨损量和摩擦系数均显著低于对照实施例2，且实施例3各项数据显著好于对照实施例1，提示逐层过渡沉积方式对耐磨性能具有一定的贡献。而对照实施例1 的各项性能也显著好于对照实施例2，表明加入激光沉积陶瓷材料也显著提升了基体材料的耐磨性能，但直接过渡的效果不如逐层过渡的耐磨性好。
[0101] (2)梯度材料结合强度测试
[0102] 结合强度实验是借助拉伸试验机完成，将实施例3和对照实施例1中制备的复合材料先制备出尺寸为30*30*50mm的梯度沉积块，在最高比例20％陶瓷层的基础上再沉积高度为 16mm的100％铝合金基体，然后将沉积块切成三块分别做不同的热处理，处理后拉伸试棒取样，每种状态取两个试件，测试结果取平均值。
[0103] 试件的断裂位置均在20％陶瓷层与铝合金基体结合位置附近，这表明与梯度过渡层相比，直接过渡层的结合强度较差。测得实施例3试件平均抗拉强度503Mpa，断后伸长率约为2.2％，对照实施例1拉伸试件平均抗拉强度312Mpa，断后伸长率约为2.7％，对比数据可知，实施例3试件的拉伸强度大幅度提高，但塑性降低，经过固溶时效处理后，对照实施例1试件的拉伸强度显著降低。热加工处理可以消除两种材料的残余应力，对提高结合强度有很大帮助。
[0104] 从实验可以看出铝合金/陶瓷材料采用梯度过渡的方式能够使结合更牢固，一方面是性能突变，逐层过渡减轻了两种材料热膨胀不均而形成的热应力，性质差距不大，结合更好。另一方面是孔隙率，氧化物陶瓷与铝合金的结合处容易产生气孔，而且随着氧化物比例的增加，组织中气孔的数量和体积也有所增大。
[0105] (3)中性盐雾试验
[0106] 按照国家标准GB/T 10125-1997(人造气氛腐蚀试验一盐雾试验)利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来判定产品或金属抗盐雾腐蚀能力。实验时将试样按规定暴露于盐雾试验箱的角型的试架上，盖好上箱盖随后启动设备开关，由喷嘴向箱体内由上而下喷入 5％的氯化钠溶液，细雾会均匀地沉降在试样表面，箱内可控温度为35±2℃。试验结束后取出试样，用去离子水清洗，以除去试样表面残留的盐雾溶液，再立即用吹风机吹干，通过观察表面腐蚀的状况来判断耐蚀性的好坏。盐雾试验时间定为240小时。
[0107] 表2铝合金中性盐雾试验
[0108]
[0109]
[0110] 上述结果表面，渗氮层及梯度沉积层的加入可显著抵御盐雾的腐蚀作用，保护内层基体材料。
[0111] (4)显微硬度测试
[0112] 将成形块沿着沉积方向切取，在试件的侧面上使用HVS-1000A型显微硬度计测试梯度材料硬度值，加载载荷为200g，加载时间为10s，测试点从基体逐步过渡到表面，间距为1mm，每个水平位置处测试3遍，最终结果取其平均值。
[0113]组别 显微硬度(HV0.2)
实施例1 188
实施例2 174
实施例3 213
对照实施例1 133
对照实施例2 108
实施例1 188
实施例2 174
实施例3 213
对照实施例1 133
对照实施例2 108
[0114] 上述结果表明，本发明制备的复合材料的硬度显著高于对照实施例2，优选实施例的硬度高达213HV0.2。主要是由于高硬度的混合颗粒物的加入，表面的陶瓷材料的沉积以及超声表面滚压综合作用强化了铝合金基材的硬度。
[0115] 综上所述，氮化硼、氧化硅、三氧化钨的硬度高，显著提高材料的硬度及耐磨性，二硫化钼可提高减摩性。通过在纯铝金属丝上粘附氮化硼、氧化硅、三氧化钨、二硫化钼混合物颗粒的方式，使得浇铸时混合粉末位于母合金液中央，有利于微粉颗粒的快速扩散和均质，无须反复熔炼均化，提高生产效率。铝合金基体中Zn、Sr、Ho提高合金液与外来粒子的润湿性，可实现细晶强化，即通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。Cu、Au、Mg、Pd、Si、Al可实现固溶强化，合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。Ni、W、Fe可以形成高熔点的化合物，弥散分布在基体中。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料的力学性能。通过激光沉积铝合金/陶瓷材料粉末形成三层梯度沉积层，有效的将陶瓷材料与铝合金材料紧密结合，沉积层致密且层与层之间结合紧密，复合沉积陶瓷材料后可显著提升铝合金基材的耐磨性和耐腐蚀性，激光沉积的高温还可促使沉积层内原生氧化铝颗粒，进一步提升硬度和耐磨性，复合材料表面陶瓷化后同时兼顾陶瓷耐高温，金属耐低温的特性使得本发明可以应用于需要同时耐高温和耐低温的零件加工领域。表面渗氮工艺可以进一步保护复合材料表面，增强复合材料的耐腐蚀性，提高材料的使用时间。通过表面纳米工艺对梯度沉积层进行超声表面滚压，进一步强化复合材料表面的硬度和耐磨性。
[0116] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
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