CN101139709A

CN101139709A - 一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法

Info

Publication number: CN101139709A
Application number: CN 200610113081
Authority: CN
Inventors: 张永忠; 席明哲; 石力开; 蔡利芳
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-12

Abstract

本发明公开一种钛合金表面制备高适配耐磨钛基复合材料的方法。属于金属材料表面改性领域。该方法具体如下：按一定的比例称取适当粒度的球形钛合金粉末颗粒(粒度在45～150μm)和外加的TiB₂、Cr₃C₂、TiC、或B₄C粉末颗粒(3.4－30vol％，粒度在38～106μm)；采用机械混粉方法将粉末混合均匀；通过送粉器和同轴送粉喷嘴将混合粉末按设定的送粉速率送至高功率激光在钛合金基体表面形成的熔池内；混合粉末在熔池的高温作用下发生原位反应，形成稳定、弥散分布的原位自生TiC或TiB等增强相，这些增强相具有生成颗粒尺寸细小、热力学稳定、界面无污染、与基体结合强度高等特点；该方法在显著提高钛合金表面硬度和耐磨性的同时，保证了表面改性层与基体的高适配性，可用于承受冲击振动载荷及热疲劳等环境下钛合金零件的修复和表面强化处理。

Description

一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，属于金属材料的表面改性领域。

背景技术

钛及钛合金因具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能，在航空、航天、舰艇、兵器、石油、化工、医疗等领域得到应用。但由于钛合金存在本身硬度低、耐磨性差、摩擦系数大且不稳定等缺点限制了更广泛的应用。纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金在硬度一般低于350HV。针对钛合金耐磨性差的缺点，发展了多种钛合金的表面改性技术。早期的研究主要包括电镀、热扩散、热氧化、PVD、CVD等传统表面技术。近年来，随着新技术的不断出现，微弧氧化、等离子喷涂、超音速喷涂、离子注入、电子束沉积、激光氮化、双层辉光离子渗等现代表面技术，以及结合多种表面技术和膜层结构设计的新技术均应用到钛合金表面改性的研究中。这些技术在改善钛合金的摩擦磨损性能方面取得了显著效果，但是，将这些表面技术在应用到承受冲击振动载荷、热疲劳环境时，普遍存在着或涂覆层薄，或抗冲击性能差，或与基体材料结合弱等缺点，需要开发在钛合金表面制备耐磨性高、与基体结合好、高适配的表面改性层。

激光熔覆技术通过在基体材料表面熔化沉积一层外加的材料，同时基体表面一薄层发生熔化，实现熔覆层与基体的冶金结合，熔覆层的组织和性能可通过熔覆材料的选择和工艺的调整来进行控制。激光熔覆与其它工艺技术相比具有如下特点和优势：1.光斑尺寸可以在较宽的范围进行调节(0.5mm至几个mm)，可以实现高精度的熔覆沉积，材料利用率高；2.熔覆层的厚度可以在0.1mm至2-3mm之间变化，并可通过多层熔覆实现厚涂层的制备；3.能量集中(达10⁵～10⁸W/cm²)，对基体的热输入小，熔覆层稀释率低，对基体的热影响和变形小；4.激光熔覆涂层与基体为完全冶金结合，结合强度高；5.熔覆过程是一快速凝固过程(10⁴～10⁶℃/s)，熔覆层的组织完全致密、无气孔，组织细小，具有高的硬度；6.激光熔覆的自动化程度高。

目前钛合金表面激光熔覆的材料体系主要采用预先铺置SiC、TiC、NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co及不同比例的Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si元素粉以及同步输送的WC等。预先铺粉方法一般只适合在材料表面熔覆一层材料，熔覆层厚度受到限制，粉末如铺置太厚，熔覆时很难保证涂层与基体的冶金结合和良好的涂层性能；直接在钛合金表面激光熔覆SiC、TiC及WC所形成的涂层较脆、易产生裂纹；激光熔覆NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co、Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si等会在涂层中生成较大量的脆性金属间化合物相，涂层韧性较差；这些熔覆涂层在提高材料的表面硬度和耐磨性方面具有较好的作用，但由于涂层韧性较低，与基体材料的热物理性能相差较大，不能满足飞机发动机零件所承受的冲击振动载荷及热疲劳条件下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面具有很好的抗冲击载荷及热疲劳性能，并且与钛合金基体适配性高的耐磨钛基复合材料的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案达到的：

一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：通过激光熔覆，在激光熔池中发生原位反应，在钛合金表面获得原位析出相增强的钛基复合材料熔覆层。

一种优选技术方案，其特征在于：所述原位反应是钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在激光熔池中反应生成TiC或TiB增强相。

一种优选技术方案，其特征在于：所述激光熔覆是用钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒的混合粉末，混合粉末中TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在总颗粒中所占的体积比为3.4-30％。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒的成分与待熔覆基体材料的成分一致或不一致。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒为球形，粒度为45～150μm；所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒为多角形，粒度为38～106μm。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒经预先混合或原位混合后由同轴送粉喷嘴输送至激光形成的熔池内。

一种优选技术方案，其特征在于：所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒为其中一种。

一种优选技术方案，其特征在于：所述激光熔覆在保护气氛箱中进行。

有益效果：

本发明针对目前钛合金表面处理技术存在或涂层薄、或与基体匹配性差、或与基体材料结合弱等问题，提出采用激光熔覆的方法在钛合金表面制备与基体高适配的耐磨钛基复合材料，增强体颗粒是通过激光熔池内的原位反应生成的，具有生成颗粒尺寸细小、热力学稳定、界面无污染、与基体结合强度高等特点；涂层与基体完全冶金结合，具有很好的性能匹配，该方法在显著提高钛合金表面硬度和耐磨性的同时，保证了表面改性层与基体的高适配性，可用于承受冲击振动载荷及热疲劳等环境下钛合金零件的修复和表面强化处理。

本发明适用的材料包括纯钛及各种钛合金，熔覆的材料为钛合金粉末颗粒加上一定量的TiB₂、Cr₃C₂、TiC、或B₄C颗粒，生成的增强相主要有TiC、TiB以及未熔的外加颗粒，增强体颗粒的体积分数根据涂层的性能要求来确定，涂层的硬度可通过熔覆材料成分和熔覆工艺的选择在HRC 40-65之间进行调整，涂层面积和厚度可通过多道搭接和多层熔覆来实现，为防止熔覆时钛的氧化，激光熔覆需在保护气氛箱中进行。

此方法在钛合金表面制备的涂层因涂层主体材料为钛合金，保证了涂层与基体具有很好的热物理性能匹配，同时反应生成的TiC、TiB与钛合金基体的热膨胀系数很接近，减少了涂层应力和开裂倾向性，还有激光熔覆时基体表面一薄层发生熔化，与涂层材料熔合在一起，保证了界面高质量的冶金结合，使用该方法制备的涂层具有很好的抗冲击振动载荷及热疲劳性能，可用于钛合金阀门密封面及飞机发动机零件如钛合金压气机叶片的端部及减振凸台、指尖密封组件高温高速摩擦磨损跑道等的表面强化和修复。

下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。例如，可以通过激光熔覆钛合金粉末颗粒与元素粉如B、C或B+C得到TiB、TiC或TiB+TiC增强的高适配耐磨钛基复合材料，也可以通过激光熔覆钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC和B₄C中两种及以上颗粒的混合，得到TiB、TiC或TiB+TiC等增强的耐磨钛基复合材料。

附图说明

图1为本发明实施例之一原位自生TiB增强的钛基复合材料涂层的显微组织扫描电镜照片(左图是Ti+6vol.％TiB₂涂层，右图为Ti+15vol.％TiB₂涂层)；

图2为本发明实施例之二激光熔覆TC4与Cr₃C₂复合材料涂层的金相显微组织照片(由左至右分别为TC4+3.4vol.％(5wt.％)Cr₃C₂、TC4+6.9vol.％(10wt.％)Cr₃C₂、TC4+10.5vol.％(15wt.％)Cr₃C₂涂层；

图3为本发明实施例之三激光熔覆TC4+20vol.％TiC(左)、TC4+30vol.％TiC(右)复合材料涂层的金相显微组织照片。

图4为本发明实施例之四多层搭接激光熔覆Ti+B₄C制备钛基复合材料显微组织的金相照片(左)和扫描电镜照片(右)。

具体实施方式

实施例1：用本发明在TC4表面制备原位自生TiB增强的钛基复合材料涂层。

利用激光熔池中的Ti与TiB₂的原位反应(Ti+TiB₂＝2TiB)在TC4表面制备原位自生TiB增强的钛基复合材料涂层。图1为激光熔覆沉积预先混合Ti+6vol.％TiB₂、Ti+15vol.％TiB₂涂层(Ti粉为气雾化球形粉，粉末粒径75-150μm，TiB₂颗粒大小38-75μm，为不规则颗粒状)的扫描电镜照片组织(S-2400扫描电镜，Hitachi，Japan，左图是Ti+6vol.％TiB₂涂层，右图为Ti+15vol.％TiB₂涂层)。所用激光功率1.5kW，扫描速度5mm/s，送纷速率4.0g/min，可见所加的TiB₂全部发生分解，与钛发生反应原位生成了短纤维状的TiB，由于TiB的大量析出，基体钛的组织得到了细化。

实施例2：用本发明在TC4合金表面激光熔覆TC4+Cr₃C₂制备钛基复合材料涂层。

退火态TC4钛合金的室温硬度为HRC 25-35，固熔时效态为HRC 29-38。在TC4表面通过激光熔覆预先混合的TC4+3.4vol.％Cr₃C₂、TC4+6.9vol.％Cr₃C₂及TC4+10.5vol.％Cr₃C₂(TC4为气雾化球形粉末，粉末粒径45-150μm；Cr₃C₂为多角形颗粒，粉末粒度为38-75μm，基板尺寸为100×60×6mm³)，得到高适配的耐磨钛基复合材料涂层。所用激光功率3.0kW，扫描速度3.0-7.0mm/s，送粉速率4.2g/min，对应成分TC4+3.4vol.％Cr₃C₂、TC4+6.9vol.％Cr₃C₂及TC4+10.5vol.％Cr₃C₂涂层的硬度分别为HRC 42-44、HRC 47-49和HRC 62-65。熔覆材料的组织见图2(左图是TC4+3.4vol.％Cr₃C₂涂层，中图是TC4+6.9vol.％Cr₃C₂涂层，右图为TC4+10.5vol.％Cr₃C₂涂层)。

实施例3：用本发明在TC4合金表面激光熔覆TC4+TiC制备钛基复合材料涂层。

实验选用TC4气雾化球形粉加TiC不规则多角形颗粒，机械混匀后由送粉器同轴送入激光熔池内，基板为TC4合金，尺寸为100×60×6mm³，熔覆前用砂纸将试样表面磨光并擦拭干净。激光熔覆工艺：功率3.0kW，扫描速度3.0-7.0mm/s，送粉速率4.2g/min，扫描长度50mm，每道往复扫描8层，随着扫描速度的增加，熔覆道变窄、熔覆高度下降，测试了扫描速度为3.0mm/s时熔覆TC4+20vol.％TiC材料的硬度为HRC 47，熔覆TC4+30vol.％TiC材料的硬度为HRC 60(TC4粉末粒径45-150μm，TiC粒径63-106μm)。图3为激光熔覆TC4+20vol.％TiC和TC4+30vol.％TiC涂层的金相组织(左图为TC4+20vol.％TiC涂层，右图为TC4+30vol.％TiC涂层)，熔覆时外加的TiC发生溶解，在冷却过程中重新析出细小的TiC枝晶，TiC含量较多时会有少量未完全溶解的TiC颗粒存在(图3中右图的白色大块颗粒)，熔覆层与基体完全冶金结合，具有很好的组织和性能匹配，熔覆层与熔覆层之间为完全冶金结合，没有明显的层界面。

实施例4：在TC4合金表面多层搭接激光熔覆Ti+B₄C制备钛基复合材料。

实验采用纯钛粉和B₄C粉，利用在激光熔池中Ti与B₄C的原位反应(5Ti+B₄C＝TiC+4TiB，3Ti+B₄C＝TiC+2TiB₂)，来制备原位自生复合材料。Ti粉为气雾化球形粉，粉末粒径75-150μm，B₄C颗粒大小45-90μm，为不规则颗粒状。纯钛粉和B₄C粉分别由各自的送粉桶按预先设定好的送粉比例同时送出，送粉载气为氩气，在送粉管路中实现混合后经由同轴送粉熔覆喷嘴送入激光熔池，随后控制工作台的运动在基板上逐层堆积成形出最终的材料。实际成形所用的激光功率为2.5kW，激光光斑直径约3.0mm，扫描运动速度4.0mm/s，送粉速率4.7g/min(B₄C体积比为5％)，熔覆道长65mm，熔覆道宽5.0mm，每一熔覆层内并排扫4道熔覆道，搭接率30％，一层熔覆结束后，熔覆头升高0.7mm，继续下一层，共扫55层，最后得到70×16×40mm的块体材料。图4为所制备钛基复合材料的显微组织。可以看出，沉积的材料中形成了许多针状及颗粒状析出相，同时由于所用的B₄C颗粒较粗大，有部分B₄C颗粒没有完全反应掉(左图中的白色颗粒及右图中的深灰色颗粒)，在未完全反应B₄C附近有一反应生成相的聚集区，在激光熔覆沉积时，反应生成相在很短的时间内来不及扩散，阻止了基体钛与B₄C的进一步反应。右图是所沉积材料的扫描电镜照片，可明显看出原位合成的增强相沿B₄C颗粒表面的法向呈辐射状分布，其中短棒状及颗粒状增强相为TiC，而较长的纤维状相为TiB增强相。

Claims

1.一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：通过激光熔覆，在激光熔池中发生原位反应，在钛合金表面获得原位析出相增强的钛基复合材料熔覆层。

2.根据权利要求1所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述原位反应是钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在激光熔池中反应生成TiC或TiB增强相。

3.根据权利要求2所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述激光熔覆是用钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒的混合粉末，混合粉末中TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在总颗粒中所占的体积比为3.4-30％。

4.根据权利要求3所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒的成分与待熔覆基体材料的成分一致或不一致。

5.根据权利要求4所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒为球形，粒度为45～150μm；所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒为多角形，粒度为38～106μm。

6.根据权利要求5所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒的混合粉末同轴输送。

7.根据权利要求6所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒为其中一种。

8.根据权利要求7所述的用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：所述激光熔覆在保护气氛箱中进行。