鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法
2023-05-09 06:05:16 2
鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法
【專利摘要】一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法，屬於表面工程【技術領域】。利用雷射束在鈦合金部件表面反應合成TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬複合熔覆層的粉末材料成分設計及粉末、熔覆層的製備工藝。該發明可使熔覆層與基體結合界面Ti含量連續變化，並可避免在熔覆層與基體結合界面生成過多脆性相，從而在鈦合金表面製備高結合強度的TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬複合熔覆層，通過同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度達3600μm。
【專利說明】鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於表面工程【技術領域】，特別涉及一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法，利用雷射熔覆法在鈦合金部件表面反應合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬複合熔覆層的粉末材料和製備工藝。
【背景技術】
[0002]鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用於國防與民用領域。但由於鈦合金存在摩擦係數高、對粘著磨損和微動磨損非常敏感、耐磨性差及高溫抗氧化性差等缺點，制約了其應用範圍。在保持鈦合金原有優異性能的條件下，表面塗覆層技術是提高鈦合金表面耐磨性能的重要途徑。
[0003]TiCx顆粒增強金屬基複合材料具有密度低、耐磨性好、良好的導熱與導電性等優點，在航空航天、民用製造等領域中有著廣闊的應用前景。目前陶瓷顆粒增強金屬基複合材料的製備方法包括加入陶瓷顆粒和原位反應合成陶瓷顆粒等兩種技術。在雷射熔覆法製備陶瓷-金屬複合材料熔覆層的領域，反應合成陶瓷顆粒技術與傳統加入陶瓷顆粒技術相比有如下特點:(I)陶瓷相是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩定相，陶瓷顆粒表面無汙染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結合強度高。(2)由於雷射束光斑較小且能量密度有限，而TiC等陶瓷顆粒的熔點達3200°C，如採用外加陶瓷顆粒法，加入的陶瓷含量不能太高(一般外加陶瓷顆粒的質量分數為5-30% )。採用反應合成法時，陶瓷相在熔覆過程中生成，且為放熱反應(例如T1-C可在< 1000°C時發生劇烈的放熱反應)；這樣，可利用較小功率雷射束，形成高陶瓷相含量的陶瓷-金屬複合熔覆層。
[0004]鈦合金的耐磨性較差，對於在磨損、水蝕、高溫衝蝕環境下工作的鈦合金材料(如汽輪機末級葉片)，如何提高其表面耐磨性是工程應用中的關鍵問題。如果在鈦合金基體上製備具有冶金結合的高耐磨的陶瓷-金屬複合材料熔覆層，就可使鈦合金部件在滿足輕質、高強韌性要求的同時，其表面具有高的耐磨性。
[0005]熱噴塗技術可用於在金屬基體上製備陶瓷-金屬複合塗層，但塗層存在結合強度較低(機械結合、結合強度一般< 50MPa)、塗層厚度一般小於500mm等局限性，塗層結合強度及厚度無法滿足一些嚴酷磨損工況下的耐磨要求。
[0006]雷射熔覆技術為當今國內外最先進塗覆層製備技術之一，該技術具有高能量密度、稀釋度低、工件熱變形極小等特點。雷射熔覆的塗層具有組織緻密、無氣孔、無裂縫、與基體冶金結合、成分及厚度均勻等優點，這些優點是其它表面技術難以具備的。
[0007]目前常用的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料體系主要有鎳基、鐵基、鋁基等，如採用上述體系的材料進行雷射熔覆，易產生如下問題:(I)在熔覆過程中，被熔覆的N1、Fe、Al在熔覆層與基體結合面處生成硬而脆的金屬間化合物(如T1-Ni系、T1-Fe系、T1-Al系等)，此類金屬間化合物的形成導致界面結合強度大幅度下降；(2)當採用多層熔覆法製備厚的熔覆層時，由於熱應力的反覆作用，易導致熔覆層在界面結合處損傷、產生大量裂紋或整體剝落。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於提供一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層及製備方法，利用雷射束在鈦合金部件表面反應合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬複合熔覆層的粉末材料成分設計及粉末、熔覆層的製備工藝。利用雷射束熔覆本發明所述粉末材料，形成陶瓷-金屬複合材料熔覆層。熔覆層與基體結合界面Ti含量無突變，可避免在熔覆層與基體結合界面生成脆性相，從而實現在雷射多層熔覆的條件下，熔覆層不剝落、熔覆層與基體結合強度高。
[0009]本發明可使熔覆層與基體結合界面Ti含量連續變化，並可避免在熔覆層與基體結合界面生成過多脆性相，從而在鈦合金表面製備具有冶金結合的TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬複合熔覆層，通過同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度達3600 μ m。
[0010]本發明熔覆層的粉末原料的各組份重量百分含量如下:
[0011]石墨C粉(粒度-200+325目，純度> 99.5% ,其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目範圍，):2-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu合金粉(粒度-140+325目):餘量；其中 T1-Zr-N1-Cu 合金粉末的成分為:N1: 5-15wt.% ；Zr:5-15wt.% ；Cu: 5-10wt.% ；T1:餘量。
[0012]粉末原料中各組分作用如下:
[0013]T1-Zr-N1-Cu合金粉末在雷射束的作用下熔化(該合金粉末熔點彡1200°C )，部分Ti與C反應生成高硬度的TiCx相，餘下未與C反應的Ti與Zr、N1、Cu形成多元複合的T1-Zr-N1-Cu合金，該合金作為熔覆層中的連續相。在多元複合的T1-Zr-N1-Cu合金中，Zr、N1、Cu的作用是形成T1-Zr-N1-Cu固溶體、金屬間化合物(Ti_N1、T1-Zr, T1-N1-Cu等)。通過固溶強化、金屬間化合物的增強作用，使熔覆後形成的多元複合T1-Zr-N1-Cu合金具有硬度高(800-1000HV)、耐磨性好、抗高溫氧化性能優於鈦合金等特性。上述多元複合的T1-Zr-N1-Cu合金與基體鈦合金形成冶金結合，界面結合處強韌性高。
[0014]氣霧化法為製備氧含量低粉末的成熟技術，本發明採用氣霧化法製備T1-Zr-N1-Cu合金粉末，並利用篩分法將氣霧化法製備的粉末進行粒度篩分，篩分後用於雷射熔覆的粒度範圍為-140+325目。對成品T1-Zr-N1-Cu合金粉末所含雜質的要求如下:0:^ 0.2wt.% ；Si 0.3wt.% ；Mn 0.3wt.% ；P 0.045wt.% ；S 0.05wt.%。
[0015]熔覆層的製備工藝如下:
[0016]1、製備混合粉末
[0017](I)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu 合金粉:餘量；
[0018](2)將粉末原料放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為120-150°C，乾燥時間為2_4小時；
[0019](3)利用混料機進行混料，混料時間2-4小時；
[0020](4)將均勻混和後的混合粉末裝入塑料桶密封儲存。
[0021]2、製備熔覆層
[0022]本發明的技術可用於在厚度> 4mm的鈦合金部件表面製備熔覆層，鈦合金部件主要包括平板類、圓管類外表面、葉片類等。
[0023]製備熔覆層的工藝步驟為:
[0024](I)利用酸洗方法對鈦合金部件的待熔覆表面進行去氧化層處理。
[0025](2)配置預敷層漿料。在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌後形成預敷層漿料，各組分比例為=PVB膠:3-5wt.% ;高純酒精(純度99.5% ):28-40wt.% ;混合粉末:餘量。將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置於玻璃容器內，用玻璃棒手工攪拌8-20分鐘，形成預敷層漿料。
[0026](3)用毛刷將(2)中漿料塗覆於鈦合金部件表面，預敷層厚度約為800-1200 μ m。
[0027](4)將具有預敷層鈦合金部件在高溫爐中乾燥，乾燥溫度130-200°C，乾燥時間為20-50分鐘。
[0028](5)將乾燥後的鈦合金部件安裝在熔覆工作檯上(對於平板型部件，需要加裝防變形鋼板)，利用半導體-光纖耦合輸出雷射器或CO2雷射器產生的雷射束熔覆預敷層，形成具有冶金結合的熔覆層。為防止碳粉與合金粉末在熔覆過程中被氧化，雷射熔覆時需在熔覆區域加氬氣保護。
[0029]雷射熔覆工藝為已有成熟技術，製備熔覆層的設備主要由雷射器和熔覆工作檯等部分組成。熔覆時雷射頭固定不動，利用數控設備驅動鈦合金部件作勻速直線、步進或旋轉運動，從而實現對預敷層的搭接熔覆。
[0030]雷射熔覆預敷層後所得熔覆層的平均厚度為400-600 μ m。重複步驟(3) - (5) 1_5次，可得到平均厚度為800-3600 μ m的熔覆層。
[0031]本發明的優點為:利用高能量密度雷射束熔化混合粉末，在鈦合金部件表面形成以TiCx為增強相、以T1-Zr-N1-Cu合金為粘結相的陶瓷顆粒增強金屬基耐磨熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層與基體結合界面Ti含量無突變，熔覆層與基體界面結合強度與韌性高，熔覆層表面硬度可達1100-1600HV。本發明的方法具有製備成本較低、熔覆層耐磨耐壽命長、工藝較簡單等優點，可顯著延長鈦合金的耐磨壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為熔覆層與基體結合界面掃描電鏡照片。其中，界面結合區域1，熔覆層2。
[0033]圖2為熔覆層斷面掃描電鏡照片，圖中黑色顆粒為反應合成的TiCx。
[0034]圖3為熔覆層斷面顯微硬度曲線圖。
[0035]圖4為防變形鋼板結構斷面圖，鈦合金板3，螺杆4，鋼墊圈5，防變形鋼板本體6。
【具體實施方式】
[0036]實施例:在TC4鈦合金板表面製備熔覆層
[0037]1、配製粉末原料
[0038]粉末原料的重量百分數範圍如下:
[0039]石墨C 粉(粒度-200+325 目，純度彡 99.5% ):4wt.% J1-Zr-N1-Cu 合金粉(粒度-140+325 目):餘量；其中 T1-Zr-N1-Cu 合金粉末的成分為:N1:1Owt.% ；Zr:10wt.% ；Cu:8wt.% ；T1:餘量。
[0040]2、製備混合粉末
[0041](I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱取所需的各種粉末；
[0042](2)將粉末原料放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為130°C，乾燥時間為3小時；
[0043](3)利用HS錐形混料機混合粉末原料，形成混合粉末，混料時間為3小時；
[0044](4)將均勻混和後的混合粉末裝入塑膠袋密封儲存。
[0045]3、製備熔覆層
[0046]在尺寸為300 X 300 X 8mm3的鈦合金板上製備平均厚度約為1500 μ m的熔覆層。
[0047]製備熔覆層的工藝步驟為:
[0048](I)利用酸洗方法對TC4鈦合金板表面進行去氧化層處理。
[0049](2)配置預敷層漿料。在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌後形成預敷層漿料，各組分比例為=PVB膠:3wt.%;高純酒精(純度99.5% ):30wt.%;混合粉末:餘量。將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置於玻璃容器內，用玻璃棒手工攪拌10分鐘，形成預敷層漿料。
[0050](3)用毛刷將⑵中漿料塗覆於TC4鈦合金板表面，預敷層厚度約為1000 μ m。
[0051](4)將具有預敷層TC4鈦合金板置於高溫爐中乾燥，乾燥溫度150°C，乾燥時間為30分鐘。
[0052](5)將乾燥後的TC4鈦合金板安裝在防變形鋼板上，防變形鋼板結構斷面如圖4所
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[0053](6)將裝有TC4鈦合金板的防變形鋼板置於熔覆工作檯上，利用半導體-光纖耦合輸出雷射器在TC4鈦合金板的表面製備面積為280X 280mm2的耐磨熔覆層。
[0054]製備熔覆層的設備主要由最大輸出功率為1800W的半導體-光纖耦合輸出雷射器和熔覆工作檯等部分組成。熔覆時雷射頭固定不動，利用數控設備驅動熔覆工作檯作勻速直線及步進運動，從而實現對預敷層的搭接熔覆。為防止碳粉與合金粉末在熔覆過程中被氧化，雷射熔覆時在熔覆區域加氬氣保護。
[0055]熔覆時雷射器輸出功率為1600W，雷射頭與鈦合金板相對運動速度為5mm/s，熔覆預敷層後所得熔覆層的平均厚度為500 μ m。
[0056]重複步驟(3)-(6)2次，得到平均厚度為1500 μ m的熔覆層。
【權利要求】
1.一種在鈦合金部件表面反應合成陶瓷-金屬複合熔覆層，其特徵在於，製備該複合熔覆層粉末的各組份重量百分含量如下: 石墨C粉:2-10%，粒度-200+325目，純度彡99.5%，其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目範圍；T1-Zr-N1-Cu合金粉:餘量，粒度-140+325目；其中T1-Zr-N1-Cu合金粉末的成分為:N1:5-15% ；Zr:5-15% ；Cu:5-10% ；T1:餘量。
2.—種權利要求1所述的陶瓷-金屬複合熔覆層的製備方法，其特徵在於，工藝步驟如下: 製備混合粉末 1)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10% ；T1-Zr-N1-Cu 合金粉:餘量； 2)將粉末原料放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為120-150°C，乾燥時間為2-4小時； 3)利用混料機進行混料，混料時間2-4小時； 4)將均勻混和後的混合粉末裝入塑料桶密封儲存。 製備熔覆層 用於在厚度> 4mm的鈦合金部件表面製備熔覆層，鈦合金部件包括平板類、圓管類外表面、葉片類；步驟如下: (1)利用酸洗方法對鈦合金部件的待熔覆表面進行去氧化層處理； (2)配置預敷層漿料:在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌後形成預敷層漿料，各組分比例為:PVB膠:3-5wt.% ;高純酒精:28-40wt.% ;混合粉末:餘量；將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置於玻璃容器內，用玻璃棒手工攪拌8-20分鐘，形成預敷層漿料； (3)用毛刷將步驟(2)中漿料塗覆於鈦合金部件表面，預敷層厚度為800-1200μπι; (4)將具有預敷層鈦合金部件在高溫爐中乾燥，乾燥溫度130-200°C，乾燥時間為20-50分鐘； (5)將乾燥後的鈦合金部件安裝在熔覆工作檯上，利用半導體-光纖耦合輸出雷射器或CO2雷射器產生的雷射束熔覆預敷層，形成具有冶金結合的熔覆層，雷射熔覆時需在熔覆區域加氬氣保護。
【文檔編號】C22C14/00GK104451659SQ201410594894
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】劉宗德, 王永田, 劉姝女 申請人:華北電力大學, 北京華電宏陽科技有限公司