一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層的製作方法

2023-10-17 03:45:39 3

一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層，所述強化塗層包括緻密納米尺度顆粒增強層和界面過渡層，不含大尺度枝晶增強相，所述緻密納米尺度顆粒增強層具有粒徑≤50nm的超細納米顆粒密堆結構特徵，顯微觀察呈織構狀形態分布，其厚度>700μm；界面過渡層位於緻密納米尺度顆粒增強層和鈦合金基體之間，厚度介於100-600μm之間；界面過渡層與緻密納米尺度顆粒增強層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。本發明的自生納米顆粒雷射強化塗層組織均勻，在提高鈦合金表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強化層厚度和極佳的強度梯度分布行為，從而有利於強化表面長期穩定工作。
【專利說明】一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層
(-)

【技術領域】
[0001]本發明屬於鈦合金表面強化處理技術，具體涉及一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層。
(二)

【背景技術】
[0002]鈦合金是近年來獲得廣泛應用的一種具有優秀綜合性能的金屬材料，目前多用於製作葉片、葉盤以及各類泵閥等高速過流部件。鈦合金部件目前公認的有效強化手段主要為表面氮化處理。傳統使用較多的是高溫氮化技術，包括高溫氣體氮化、離子氮化等。但一般均存在氮化層厚度過薄(幾微米到幾十微米)、需要整體高溫加熱以及氮化過程中整體氣氛要求嚴格等缺點，致使氮化效率不高，尤其是對大尺寸部件應用困難等。針對這一問題，隨著雷射技術的發展，人們又提出了雷射氣體氮化技術，該技術是一種局部強化技術，通過高溫下雷射熔池中的液態鈦與周圍氣氛中的氮發生反應獲得高硬度的含氮增強相實現強化。該技術具有不需要整體高溫加熱、硬化深度大(數十微米到數百微米)、僅需局部氣氛保護等優點，因此引起了廣泛的興趣。但其參加反應的氮含量難以精確控制導致高的裂紋敏感性、強化層內存在不利於性能改善的粗大枝晶相(尺寸一般在數微米到數十微米)以及表面粗糙等問題，極大的限制了該技術在生產實踐中的應用。因此目前工業上急需一種既能夠發揮表面高硬度強化層高強度特性，又能夠兼顧長期穩定工作的鈦合金表面氮化強化技術。
[0003]針對傳統雷射氮化技術存在的問題，這裡提出了一種新的、具有氮含量高度可控的鈦合金表面雷射納米氮化處理技術。
(三)


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種鈦合金表面的新型雷射納米氮化複合塗層，在提高鈦合金表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強化層厚度，從而有利於長期穩定工作。
[0005]為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案:
[0006]一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層，其製備方法包括如下步驟:
[0007]( I)對鈦合金表面待處理區域進行表面清潔處理；
[0008](2)在步驟(I)處理後的鈦合金表面待處理區域預置特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物，根據表面幾何構形進行雷射輻照，在雷射作用過程中採用保護性氣氛對雷射作用區進行保護，從而在鈦合金表面獲得強化塗層；所述特殊增強材料粉末是下列三類物質的混和粉末:①Ti單質、②合金、③含氮化合物，所述的合金選自下列任意幾種金屬形成的合金:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，所述的含氮化合物為在500?4000°C能夠參加熔池反應並提供N元素的化合物；以特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物質量為100%計，其中Ti的質量百分比在40?90%之間，合金的質量百分比在O?16%之間，含氮化合物的質量百分比在0.5?15%之間，並且粘結劑的質量百分比蘭50%。
[0009]本發明所述的具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層，包括緻密納米尺度顆粒增強層和界面過渡層，均不含大尺度枝晶增強相，兩塗層是在雷射處理過程中一次性獲得。雷射在基體表面作用過程中作用區域表面發生熔化，Ti與含氮化合物進行溶解反應，並在後續凝固過程中通過自生反應析出，形成緻密納米尺度顆粒增強層，緻密納米尺度顆粒增強層具有粒徑700 μ m ;界面過渡層位於緻密納米尺度顆粒增強層和鈦合金基體之間，厚度根據處理工藝參數的不同一般介於100-600 μ m之間，其與緻密納米尺度顆粒增強層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。
[0010]下面對技術方案做具體說明。
[0011]本發明步驟(I)中，所述的表面清潔處理即為常規的除油、除鏽等清潔處理。
[0012]本發明步驟(2)中預置的材料為特殊增強材料粉末和粘結劑，所述特殊增強材料粉末中，單質Ti主要起基相作用，合金兼具基相和強化作用，可選自下列任意幾種的組合:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，優選所述合金為Al、V、Mo和Zr的組合，其中Al、V、Mo和Zr的質量比為1:0.05?0.95:0.05?0.45:0.05?0.55 ;或優選所述合金為A1、V和Mo的組合，其中Al、V和Mo的質量比為1:0.10?0.76:0.05?0.35 ;或者優選所述合金為Al和V的組合，其中Al和V的質量比例為1:0.45?0.85。在配製混和粉末過程中，除可將T1、合金和含氮化合物直接混和外，為進一步提高混和的均勻性，還可以先將單質Ti和合金按照上述成份範圍製成預製粉末，然後再與含氮化合物混和。含氮化合物主要起強化作用，可以是TiN、BN、Ti(C，N)等。本發明預置的材料中加入粘結劑可以提高特殊增強材料粉末的附著能力，粘結劑可選自下列一種或任意幾種的組合:膠水、香蕉水、纖維素或環氧樹脂等。
[0013]本發明步驟(2)預置的特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物，以特殊增強材料粉末和粘結劑的總質量為100%計，優選其中Ti的質量百分比為51?90%，合金的質量百分比為3?14%，含氮化合物的質量百分比為I?12.8 %，粘結劑的質量百分比為5?40 %。更優選Ti的質量百分比為59?85.5%，合金的質量百分比為3.5?13.5%，含氮化合物的質量百分比為I?11%，粘結劑的質量百分比為10?30%。
[0014]本發明在表面待處理區域預置特殊增強材料粉末和粘結劑後，根據表面幾何構形選擇一定經整形後的光束進行雷射處理，所述的經整形後的光束為圓形光斑或環形光斑光束。米用圓形光斑時，焦點處光斑直徑在0.5mm?60mm之間；米用環形光斑時，焦點處光斑內直徑不小於0.5mm,外直徑不大於60mm。所述的雷射處理的工藝參數推薦如下:
[0015]採用雷射輻照時，雷射功率彡300W，雷射功率密度彡104W/cm2，掃描速度彡0.0lm/min，多道掃描時搭接量5?90 %;進一步，優選雷射功率600?2500W，雷射功率密度14?106W/cm2，掃描速度0.05?0.8m/min，多道掃描時搭接量10?30% ;
[0016]本發明雷射處理過程中的保護性氣氛推薦為惰性氣體氣氛，如氬氣、氦氣等。
[0017]本發明所述的複合塗層，具有低倍下呈微觀織構特徵、高倍下呈納米尺度顆粒密堆特徵的兩級精細結構，雷射強化層內不含大尺寸(微米量級)枝晶狀強化相。本發明可以通過如下步驟形成更大厚度的複合塗層:在上述步驟(2)獲得的強化塗層表面通過雷射熔覆或電子束沉積或堆焊的方式製備一層不含增強成分的純鈦或鈦合金基底層，然後在其上重複步驟(I)和步驟(2)的操作，從而可在鈦合金表面形成包含多個複合塗層形成「硬一軟一硬」多層結構的強化塗層。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點包括:
[0019]1.採用本方法能夠有效的控制參加反應的N以及其它強化成分的含量，解決了傳統雷射表面氮化過程中參加反應的強化成分含量難以精確控制的難題；
[0020]2.本發明的多級精細結構強化塗層能提高鈦合金表面硬度，且強化層厚度大，硬度呈梯度分布，增強相尺寸細小，不存在易導致裂紋的粗大的微米和/或十微米量級TiN枝晶，從而有利於塗層長期穩定工作；
[0021]3.該複合結構強化層工藝簡單，可靠性好，易於獲得，不需要複雜的氣氛保護，僅在大氣條件下採用Ar、He等惰性氣體進行局部保護即可獲得高質量複合結構多層強化層；
[0022]4.通過變化不同工藝參數與表面施塗材料，可以獲得不同表面硬度與綜合性能的夾心結構來適應不同的表面強化應用領域，適用面廣。
(四)

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1製得的強化塗層的緻密納米尺度顆粒增強層的微觀織構顯微照片。
[0024]圖2為實施例1製得的強化塗層的緻密納米尺度顆粒增強層的顯微織構複合結構示意圖。
[0025]圖3為實施例1製得的強化塗層在距塗層外表面不同距離處的硬度圖。
[0026]圖4為實施例2製得的強化塗層在距塗層外表面不同距離處的硬度圖。
[0027]圖5為實施例3製得的強化塗層在距塗層外表面不同距離處的硬度圖。
(五)

【具體實施方式】
[0028]下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明，但本發明的保護範圍不限於此:
[0029]實施例中選用的鈦合金基體牌號為TC4，首先進行除油、除鏽等表面清理，然後將待加工表面預磨至600#砂紙,清洗並烘乾。
[0030]實施例1:
[0031]1.強化表面預塗專用增強材料，成分為:Ti73%、合金(Al:V = 1:0.65)8.1 %、TiN8.9 %，其餘為粘結劑(502膠水:香蕉水:E-44型環氧樹脂=1:2:1)。
[0032]2.雷射處理，雷射功率2000W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，採用Ar氣對雷射輻照區域進行保護。
[0033]如圖3所不，工件表面1.5mm範圍內可獲得複合強化層,其中表面最大硬度大於380HV，塗層內硬度在350?380HV之間並呈梯度下降趨勢，複合強化層有效強化深度(以彡350HV計)大於0.8mm。
[0034]實施例2:
[0035]1.強化表面預塗專用增強材料，成分為:Ti72%、合金(Mo:A1:V = I:8:1)8%,BNl.6%，其餘為粘結劑(502膠水:香蕉水:E-44型環氧樹脂=1:2:1)。
[0036]2.雷射處理，雷射功率1200W，光斑直徑4mm，掃描速度0.2m/min,搭接量20%，採用Ar氣對雷射輻照區域進行保護。
[0037]如圖4所不，工件表面1.5mm範圍內可獲得複合強化層,其中表面最大硬度大於480HV，基底硬化層硬度在350?480HV之間並呈梯度下降趨勢，複合強化層有效強化深度(以彡350HV計)大於0.8mm。
[0038]實施例3:
[0039]1.強化表面預塗專用增強材料，成分為:單質73%、合金(Al:V= 1:0.65)8.1%,Τ?Ν8.9 %，其餘為粘結劑(502膠水:香蕉水:E-44型環氧樹脂=1:2:1)。
[0040]2.雷射處理，雷射功率2000W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，採用Ar氣對雷射輻照區域進行保護。
[0041]3.強化表面預置純鈦材料，成分為:純Ti80%，其餘為粘結劑(502膠水:香蕉水:E-44型環氧樹脂=1:2:1)。
[0042]4.雷射處理，雷射功率2300W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，
採用Ar氣對雷射輻照區域進行保護。
[0043]5.重複上述步驟1-4計3次。
[0044]如圖5所示，距表面3.6mm範圍內可獲得具有「硬一軟一硬」相間的多層夾心結構複合強化層，其中表面最大硬度大於500HV，塗層內硬度軟硬相間變化，並呈梯度下降趨勢，複合強化層有效強化深度(以彡350HV計)大於3mm。
【權利要求】
1.一種具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層，其製備方法包括如下步驟: (1)對鈦合金表面待處理區域進行表面清潔處理； (2)在步驟(I)處理後的鈦合金表面待處理區域預置特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物，根據表面幾何構形進行雷射輻照，在雷射作用過程中採用保護性氣氛對雷射作用區進行保護，從而在鈦合金表面獲得強化塗層；所述特殊增強材料粉末是下列三類物質的混和粉末:①Ti單質、②合金、③含氮化合物，所述的合金選自下列任意幾種金屬形成的合金:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，所述的含氮化合物為在500?4000°C能夠參加熔池反應並提供N元素的化合物；以特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物質量為100%計，其中Ti的質量百分比在40?90%之間，合金的質量百分比在O?16%之間，含氮化合物的質量百分比在0.5?15%之間，並且粘結劑的質量百分比蘭50%。
2.如權利要求1所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:以特殊增強材料粉末和粘結劑的總質量為100%計，其中Ti的質量百分比為51?90%，合金的質量百分比為3?14%，含氮化合物的質量百分比為I?12.8%，粘結劑的質量百分比為5?40%。
3.如權利要求2所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:以特殊增強材料粉末和粘結劑的總質量為100%計，其中單質的質量百分比為59?85.5%，合金的質量百分比為3.5?13.5%，含氮化合物的質量百分比為I?11%，粘結劑的質量百分比為10?30%。
4.如權利要求1?3之一所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:所述的含氮化合物為下列一種或任意幾種的組合:TiN、BN、Ti (C，N)。
5.如權利要求1?3之一所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:所述合金為Al、V,Mo和Zr的組合，其中Al、V、Mo和Zr的質量比為1:0.05?0.95:0.05?0.45:0.05?0.55 ;或者所述合金為Al、V和Mo的組合，其中Al、V和Mo的質量比為1:0.10?0.76:0.05?0.35 ;或者所述合金為Al和V的組合，其中Al和V的質量比為1:0.45?0.85。
6.如權利要求1?3之一所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:在配製特殊增強材料粉末和粘結劑的混合物時，先將Ti單質和合金製成預製粉末，然後再與含氮化合物混和，或者將Ti單質與合金和含氮化合物三者直接混和。
7.如權利要求1?3之一所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:所述的粘結劑為膠水、香蕉水、纖維素或環氧樹脂。
8.如權利要求1?3之一所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:根據表面幾何構形選擇一定經整形後的光束進行雷射處理，所述的經整形後的光束為圓形光斑或環形光斑光束；米用圓形光斑時，焦點處光斑直徑在0.5mm?60mm之間；米用環形光斑時，焦點處光斑內直徑不小於0.5mm，外直徑不大於60mm ;所述的雷射處理的工藝參數如下:採用雷射連續輻照，雷射功率彡300W，雷射功率密度彡104W/cm2，掃描速度彡0.0lm/min，多道掃描時搭接量5?90%。
9.如權利要求8所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:所述的雷射處理的工藝參數如下:採用雷射連續輻照，雷射功率600?2500W，雷射功率密度14?106W/cm2，掃描速度0.05?0.8m/min,多道掃描時搭接量10?30%。
10.如權利要求1所述的鈦合金雷射強化塗層，其特徵在於:所述的具有自生納米顆粒增強的鈦合金雷射強化塗層包括緻密納米尺度顆粒增強層和界面過渡層，均不含大尺度枝晶狀增強相，所述緻密納米尺度顆粒增強層具有粒徑700 μ m ;界面過渡層位於緻密納米尺度顆粒增強層和鈦合金基體之間，厚度介於100-600 μ m之間；界面過渡層與緻密納米尺度顆粒增強層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。
【文檔編號】C23C24/10GK104513979SQ201310455692
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】王維夫, 胡霄樂 申請人:浙江工業大學