CN101524792B

CN101524792B - 一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及焊丝制备方法

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Publication number: CN101524792B
Application number: CN2009100825376A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 胡卫强; 戴兰宏
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: CN101524792A

Abstract

一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及焊丝制备方法，属于表面工程技术领域。粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、Ti、Cr、NbC粉末组成，其含量为：C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉；利用铝箔包裹上述复合粉末形成粉芯焊丝。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt.％，且利用氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在钛及钛合金表面。制备工艺为：利用铝箔将C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉包裹。优点在于，将Ti-Al系金属间化合物与TiC的优点结合起来，所制备的熔覆层表面较光滑，熔覆层厚度偏差小于熔覆层平均厚度的±15％。

Description

一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及焊丝制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及焊丝制备方法，利用交流钨极氩弧热源在钛及钛合金基体表面上反应合成TiC-Ti₃Al金属间化合物复合材料熔覆层的粉芯焊丝及熔覆层制备工艺。

背景技术

钛及钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点，不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。但钛及钛合金具有摩擦系数大、耐磨性差、抗穿甲能力不高等缺点，限制了其应用范围。为了提高钛及钛合金的表面性能，可在其表面制备一定厚度的涂覆层，如陶瓷颗粒增强的金属基复合材料或金属间化合物涂覆层。

TiC陶瓷颗粒增强的金属基复合材料(以下简称陶瓷-金属复合材料)具有密度低、比强度和比刚度高、耐磨性好、良好的导热性、良好的导电性等优点，在航空航天、汽车制造等领域中有着广阔的应用前景。在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料熔覆层，就可将基体材料的强韧性与陶瓷增强熔覆层的耐磨、耐蚀和优良的抗冲击载荷性能有机结合起来，使钛及钛合金为基体的零部件整体结构在满足工作环境下的强韧性要求的同时，还具有高的耐磨、抗冲击载荷性能。例如，对于以钛合金为基体的飞行器外壳防护结构，如果在钛合金基体上制备陶瓷-金属复合材料覆层，就能在防护结构体密度不变的前提下，显著提高防护结构在高速或超高速撞击下的抗贯穿能力。

激光熔覆是现有在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的主要技术，该技术可采用直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法或在激光熔覆过程中反应自生陶瓷相的方法。直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法存在界面浸润性差、陶瓷分散性差、偏聚、热稳定性差等缺点。反应自生陶瓷相的方法的优点在于：(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。(2)工艺较简单、成本较低。

对于直接添加陶瓷颗粒作为增强相的激光熔覆方法(如申请号为200610113081.1的发明专利申请)，其特征在于，在保护气氛的环境下，通过送粉器将钛合金粉与陶瓷颗粒送入激光束作用区域，陶瓷颗粒所占体积分数为3.4-30％，所形成熔覆层为钛基陶瓷颗粒增强复合材料。

而对于激光熔覆过程中反应自生陶瓷相的方法，其特征在于，将NiCrBSi粉(Ni质量分数为63-75％，Cr质量分数为14-16％)和B₄C粉末按比例混合，复合粉末中B₄C粉末所占质量分数为2-10％，然后将粉末与配好的有机粘合剂混成膏剂，再将膏剂刷涂在钛合金表面，最后利用激光束熔覆膏剂形成陶瓷颗粒增强熔覆层。熔覆层最大厚度为0.9mm。

综上所述，现有在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料覆层的激光熔覆技术包括直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法和反应自生陶瓷相法两种，并采用送粉法和预敷法进行熔覆，熔覆层中的粘结相有Ti、Ni、Cr等元素，所制备熔覆层中陶瓷相所占体积分数一般≤35％。

金属间化合物由于其金属键和共价键共存的特性，具有高的比强度、较高硬度等优良特性。在金属间化合物的大家族中，Ti-Al系金属间化合物(Ti₃Al、TiAl)由于具有比重轻、比强度高、耐磨性好和抗氧化性优异等特点，是一种有待于开发的航空航天、高温结构材料和涂覆层材料。而由TiC与Ti-Al系金属间化合物组成的TiC/Ti-Al系复合材料，具有比Ti-Al系金属间化合物更高的耐磨性、高温抗压强度和比强度。

与TiC/Ni等陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔覆层相比，TiC/Ti-Al系复合材料熔覆层的优点在于：在熔覆层中陶瓷相体积分数相同的条件下，TiC/Ti-Al系复合材料熔覆层具有更轻的比重、更高的比强度、更高的硬度和耐磨性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及其制备方法，是将Ti-Al系金属间化合物与TiC的优点结合起来，开发一种利用交流钨极氩弧热源在钛及钛合金基体表面上反应合成TiC-Ti₃Al复合材料熔覆层的粉芯焊丝及熔覆层制备工艺。

本发明的粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、Ti、Cr、NbC粉末组成，其含量为：C粉：10-13wt.％，Cr粉：0-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉；利用铝箔包裹上述复合粉末形成粉芯焊丝。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt.％，且利用氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在钛及钛合金表面。

本发明粉芯焊丝制备工艺为

1、粉芯焊丝成分

粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、Ti、Cr、NbC等粉末组成，所选用的粉末中：C粉(200-350目、纯度≥99％)：10-13wt.％，Cr粉(100-300目、纯度≥99％)：0-3wt.％，NbC粉(200-350目、纯度≥99％)：1-2wt.％，其余为Ti粉(100-200目、纯度≥99％)。粉末中添加少量NbC、Cr的目的是改善反应生成的TiC陶瓷相与Ti-Al系金属间化合物的润湿性，提高熔覆层的强韧性。

利用铝箔包裹上述复合粉末，所用铝箔纯度≥98.5％、厚度在30-80μm范围、宽度在50-60mm范围、长度≥200mm。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt.％。铝箔的作用是：(1)与Ti、C反应生成Ti₃Al、Ti₃AlC等金属间化合物；(2)使粉芯焊丝内的复合粉末在被交流氩弧加热过程中被约束在铝箔内部，直至粉末发生化学反应并处于熔融状态后形成熔滴，熔滴在重力作用下落于基体表面，从而达到防止粉末在熔覆过程中飞溅的目的。

2、复合粉末混料工艺

按1中所述的各种粉末材料比例配制所需复合粉末，然后将复合粉末在普通空气干燥箱中干燥，干燥温度为80-110℃，干燥时间为3-5小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机中进行混料，混料时间为5-6小时。

3、粉芯焊丝的包裹工艺

完成步骤2后，再利用铝箔包裹复合粉末形成粉芯焊丝。

复合粉芯焊丝的包料工艺可选择手工和机械自动包料两种方法。对于手工包料法，须先将铝箔卷成圆筒状，圆筒直径为8-15mm，再将所需比例的粉末灌入圆筒中，将圆筒两端压扁封闭后即可使用。当采用机械自动包料机包料时，其原理与普通粉芯焊丝包料机(如电弧喷涂丝的包料)原理相同。粉芯焊丝的单位长度的重量为0.8-2g/cm。

对于手工送丝熔覆方法，粉芯焊丝长度为200-400mm为宜；对于自动送丝熔覆方法，粉芯焊丝长度不受限制。

4、熔覆原理说明

本发明用于在厚度为6-50mm的纯钛或钛合金基体上(如平板表面、圆管外表面等)制备厚度为2-3mm的TiC-Ti₃Al复合材料熔覆层。粉芯焊丝熔覆的原理如下：粉芯焊丝头部与交流钨极氩弧焊枪保持基本同步移动，使粉芯焊丝头部约4-6mm长度的区域处于交流氩弧加热范围，被交流氩弧加热的钛及钛合金基体表面达到其熔点以上温度，当粉芯焊丝头部约4-6mm长度内的温度达到1000℃以上时，Ti与C发生强放热反应原位生成TiC颗粒，同时使该段内的Al与Ti等粉末发生化学反应。上述TiC、Ti-Al、Ti-Al-C反应物形成熔滴，在重力作用下沉积于熔融的钛及钛合金基体材料表面，形成与基体达到冶金结合的熔覆层；熔覆层冷却后主要形成TiC、Ti₃Al及少量Ti₃AlC相。此过程可有效防止粉芯焊丝内粉末特别是碳粉的飞溅。随着交流氩弧的连续移动，上述熔滴不断沉积于基体表面，形成连续的单道熔覆层，单道熔覆层厚度为2-3mm；通过多道搭接熔覆法，可在铝合金基体上形成搭接的熔覆层。多道搭接所形成熔覆层的厚度在2-3mm范围。在制备熔覆层的过程中，由于基体基体表面约0.5-1mm厚度的材料被加热至熔融状态，所以基体Ti原子向熔覆层扩散，促进形成Ti₃Al、Ti₃AlC相，并使熔覆层与基体达到冶金结合。

由于在制备熔覆层过程中钛及钛合金基体温度场不均匀，完成制备熔覆层的工艺后，钛及钛合金基体会产生塑性变形并存在残余应力。为了解决上述问题，可按常规的去残余应力退火工艺和工件热态矫直工艺对具有熔覆层的钛及钛合金材料进行处理。

本发明所制备的熔覆层表面较光滑，熔覆层厚度偏差小于熔覆层平均厚度的±15％。对于有表面精度要求的工件，须采用磨削的工艺对熔覆层进行精加工处理。

本发明的优点在于，使用工作电流为200-280A的钨极交流氩弧焊接设备在厚度为6-50mm的钛及钛合金合金工件表面制备陶瓷-金属间化合物复合材料熔覆层，通过搭接熔覆，可使工件表面的熔覆层厚度达2-3mm，熔覆层与钛及钛合金基体达到冶金结合。该制备工艺比较简单、工艺参数易于控制，成本低。

本发明与熔覆预敷粉末层的工艺相比，其特点在于：(1)在熔覆时，无需将粉末用粘结剂预敷于工件表面、对预敷层进行干燥等环节，粉芯焊丝不含挥发性粘结剂，可避免熔覆层内出现孔洞缺陷或杂质。(2)避免了氩弧边缘区域的预敷粉末氧化和飞溅问题。

本发明与送粉式熔覆工艺相比，其特点在于：(1)无需送粉器装置，对粉末的粒度、流动性没有严格的要求；(2)形成熔覆层陶瓷相的组元反应完全，熔覆过程中无粉末飞溅现象。

附图说明

图1为按实施例1所制备熔覆层的XRD分析结果，Ti₃Al相1、TiC相2、Ti₃AlC相3。

图2为按实施例1所制备熔覆层断面的扫描电镜分析结果。Ti基体4、熔覆层5。

具体实施方式

实施例1：

1)粉芯焊丝制备

粉芯焊丝内的粉末材料由C、Ti、Cr等粉末组成，所选用的复合粉末中，C粉(-300目、纯度99.5％)：12wt.％，Cr粉(-200目、纯度99.5％)：1wt.％，NbC粉(-300目、纯度99％)：1wt.％，其余为Ti粉(-150目，纯度99％)。按上述比例配制复合粉末，然后将复合粉末在干燥箱内95℃干燥4小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机球罐内混料，球磨机混料时间为5小时。选择厚度为50μm的铝箔，其纯度为99％，铝箔宽度为50mm，长度为320mm。采用手工方法将铝箔卷成直径为11mm的圆筒，将复合粉末灌入铝箔圆筒内，使复合粉末重量为粉芯焊丝总重量的90％。将已灌好粉的圆形截面粉芯焊丝两端压扁封闭后即完成粉芯焊丝制备工艺。

2)熔覆工艺

(1)选择厚度为10mm、面积为310×310mm²的纯钛(纯度99％)板，利用电动钢丝刷将待熔覆表面作除锈、除油处理，将纯钛板置于熔覆工作台上(厚度为20mm的平钢板)；为防止纯钛板焊接变形，利用熔覆工作台上的固定螺杆将纯钛板边缘与熔覆工作台固定。

(2)选择型号为WSE-315A交直流两用氩弧焊机，选择工作电流为240A，将氩弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上。

(3)将小车运动速度调整到约2.5mm/s，摆动器参数为：频率0.5次/s、摆幅±2mm。

(4)启动小车和摆动器后，打开氩弧电流开关，用氩气作为保护及电离气体，氩气流量为2.5升/分，焊枪与工件表面形成氩弧后，采用手动送丝的方式制备单道熔覆层。

(5)重复步骤(4)，采用多道搭接熔覆的方式，在纯钛板表面制备出平均厚度为2.5mm的熔覆层，熔覆层面积为300×300mm²。

(6)将已制备熔覆层的纯钛板放入高温炉内，在450℃温度下保温3小时后切断高温炉电源，炉内缓冷致室温。

(7)利用平面磨床对熔覆层进行表面抛光处理，得到厚度为2mm的熔覆层。

Claims

1.一种在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属间化合物复合材料熔覆层的粉芯焊丝，其特征在于，粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、Ti、Cr、NbC粉末组成，其含量为：C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉；利用铝箔包裹上述复合粉末形成粉芯焊丝。

2.根据权利要求1所述粉芯焊丝，其特征在于，复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt.％，且利用氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在钛及钛合金表面。

3.一种制备权利要求1所述粉芯焊丝的方法，其特征在于，制备工艺为：利用铝箔将C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉包裹，复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt.％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的复合粉末混料工艺为：将C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉配制所需复合粉末，然后将复合粉末在普通空气干燥箱中干燥，干燥温度为80-110℃，干燥时间为3-5小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机中进行混料，混料时间为5-6小时。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的利用铝箔将C粉：10-13wt.％，Cr粉：1-3wt.％，NbC粉：1-2wt.％，其余为Ti粉包裹工艺为：先将铝箔卷成圆筒状，再将复合粉末灌入圆筒中，将圆筒两端压扁封闭。