CN102268672B - 原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，将镍粉、碳粉和其它元素粉末按照一定比例进行混合，将所得混合粉料置于钛合金基材上，采用激光熔覆的方式在钛合金基材表面原位自生生成的碳化钛颗粒，最终在钛合金基材表面生成一层原位自生碳化钛颗粒增强的镍基梯度涂层。本发明采用激光熔覆的方式，通过合理配置熔覆强化层的化学成分，在熔覆层中形成原位自生的增强相碳化钛颗粒增强相，形成了颗粒均匀、分布状态良好、碳化钛含量高的增强相，提供了一种简单有效，可行性强的提高钛合金强硬度和耐磨性方法。

Description

原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及新材料制备领域，具体地说涉及到一种原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法。

背景技术

向基体材料中添加硬质微粒是提高材料强硬度和耐磨性的重要方法，添加作为增强相的硬质颗粒的工艺方法虽然多种多样，如通过化学渗碳在碳钢表层形成更多的碳化物颗粒，通过热处理调整钢中碳化物的分布、形态或结构，通过激光熔覆在基体表面形成强化层等等，但硬质颗粒的来源一般只有人工加入和内部通过化学反应合成两种途径。

人工加入增强相颗粒简单方便，便于调控增强相的含量，增强相一般不受基体材料成分、物理性质和化学性质的制约，增强相的尺寸和形态通常受其制备工艺的影响，便于人为干涉和调控，增强相的分布一般受强化区域制备工艺和方法的制约，是人们常用的一种强化方法，如激光熔覆一般都通过该途径向熔覆层中添加增强相。但该途径添加的增强相，在其制备、包装、运输、储存、以及制备强化层的过程极易被污染，或形成与基体材料难以牢固结合的表面层，在工作过程中导致增强相和基体界面成为裂纹源，特别是摩擦磨损工作过程中，增强相常常从基体上脱落造成磨粒磨损，反而加剧了工件的失效。而且增强相的分布也难以达到满意的效果。

内部化学反应合成的途径一般称为原位自生技术，通过合理配置强化层的化学成分，在强化层制备形成的过程中通过化学反应，原位自生出强化层中原本没有的增强相颗粒，可以有效的解决上述问题。另外，人工加入增强相颗粒制备梯度涂层时，一般只能通过多层工艺进行制备，较难获得在性能上具有连续性的梯度涂层，而原位自生通过基体化学组分与涂层材料的熔合扩散，有可能制备出在性能上具有连续性的梯度涂层。

发明内容

本发明的目的是通过预置工艺或者送粉装置，将镍和碳为主的混合粉料通过激光熔覆技术制备在钛合金基体上，获得原位自生碳化钛颗粒增强的镍基熔覆强化层，从而有效提高钛合金材料表面层的强硬度和耐磨性，延长工件的使用寿命。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：

原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将镍粉、碳粉和其它元素粉末混合；镍粉、碳粉和其它元素粉末的重量比分别为75％～90％、5％～25％、0～10％；所述其它元素粉末为铝、硅、钒、锰、铁、铬、钼或稀土中的一种或几种的单质或氧化物，或者为上述元素的合金；

2)将所得混合粉料置于钛合金基材上，采用激光熔覆的方式在钛合金基材上形成熔池，熔池中碳或钛合金基材中的钛发生反应生成原位自生的碳化钛颗粒，最终在钛合金基材表面生成一层原位自生碳化钛颗粒增强的镍基梯度涂层。

步骤1)中所述镍粉的粒度为100目～500目，所述碳粉的粒度为1000目～5000目，其它元素的粒度为100目～500目。

步骤1)中的各组分的混合方式为手工研磨或机械球磨，研磨时间不低于6小时。

步骤2)中混合料的供料方式可以为预置方式，通过冷静压、热喷涂或涂刷方式在钛合金基体材料上预置厚度0.5～1.5mm的混合粉料；也可以采用送粉方式供料。

步骤2)中激光熔覆采用二氧化碳激光光源，功率1.2-2.3KW，扫描速度3-8mm/sec，离焦量200+30-60mm。

上述技术方案中，在步骤2)之后，还需要进行去应力处理，去应力处理具体工艺以钛合金基体的去应力处理工艺为准。

上述技术方案使本发明具有如下有益效果：相对于人工添加碳化钛颗粒增强的途径，本发明提供的工艺方法可以在熔覆层中形成原位自生的碳化钛颗粒增强相，克服了人工加入碳化钛颗粒可能存在污染、表面层非活化态，与涂层基本相结合不牢靠等缺点；涂层熔覆料供给碳元素，基体供给钛元素的方式有利于形成碳化钛连续性梯度分布的增强组织，形成在性能上具有连续性梯度的强化涂层；原位自生的碳化钛呈颗粒状或者花状，与基体相结合牢固，分布均匀，产率高，颗粒大小可达到数十微米，而且碳化钛相对碳化钨等其他碳化物颗粒具有强度高、密度小的特点，有利于涂层的轻量化；以镍为熔覆层基本相避免了以钛为熔覆层基本相时，涂层极易形成裂纹的危害。另外，本发明的工艺方法简单有效，可行性极强。

附图说明

图1是本发明实施例的强化层截面的宏观形貌(涂层厚度约1mm)。

图2是本发明实施例的强化层截面的微观形貌(即图1中白色方框区域)。

图3是本发明实施例的强化层基本相的能谱分析结果(即图2中白色三角形区域)。

图4是本发明实施例的强化层增强相的能谱分析结果(即图2中白色十字形区域)。

图5是本发明实施例的强化层的XRD分析结果。

图6是本发明实施例的强化层的表面微观形貌及显微硬度压痕。

图7是本发明实施例的强化层截面上显微硬度值随涂层深度的变化。

图8是本发明实施例的强化层表面摩擦磨损后的表面形貌。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作详细说明。

本实施例采用镍粉、碳粉作为熔覆强化层的主要原材料并辅以少量其它元素，采用Ti-4Al-6V作为基体材料并作为钛元素的供体，按照镍粉85％wt，碳粉13％wt，其它元素粉末：单质铝粉1％wt+氧化钇1％wt进行配料，镍粉粒度为200目，碳粉粒度为2000目，其它元素粉末粒度为100目；

将上述各粉体混合，机械球磨24小时得到混合均匀的混合粉料；

在基体材料Ti-4Al-6V上，通过冷静压预置厚度约1.2mm的混合粉料；采用激光熔覆的方法使上述混合粉料与基体材料反应生成TiC颗粒增强相并在基体材料Ti-4Al-6V上形成一层镍基熔覆强化层；激光光源采用二氧化碳激光光源，功率设定为2.0KW，扫描速度5mm/sec，离焦量200+40mm；最后，对形成强化层后的材料进行去应力处理。

处理后的产品的强化层的截面的宏观形貌如图1所示，微观形貌如图2所示(即图1中白色方框区域)，图3和图4分别显示了强化层基本相(即图2中白色三角形区域)和增强相(即图2中白色十字形区域)的能谱分析结果，显然增强相为碳化钛。

图5是本发明实施例1的强化层的XRD分析结果，表明涂层物相为碳化钛和镍的晶体结构。

图6是本发明实施例1的强化层的表面微观形貌及显微硬度压痕。显微硬度测试值为维氏硬度686.5(基体材料为维氏硬度323.1)。图7是本发明实施例1的强化层截面上显微硬度值随涂层深度的变化，显然，随着距涂层表面距离的增加，涂层硬度上升，涂层硬度呈连续性梯度分布。在1690g的载荷下，用直径3mm的球形氧化铝陶瓷做对磨材料，在两个小时的干滑动旋转摩擦试验后，熔覆层失重为0.0010g，而基体材料失重为0.0265g，涂层平均摩擦系数为0.238。图8为滑动摩擦试验后样品表面的光学照片，显然涂层中存在大量的增强相颗粒，提高了涂层的耐磨性。

Claims (5)

1.原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将镍粉、碳粉和其它元素微粉混合；镍粉、碳粉和其它元素微粉的重量比分别为75％～90％、5％～25％、0～10％；所述其它元素微粉为铝、硅、钒、锰、铁、铬、钼或稀土元素中的一种或几种的单质或氧化物，或者为上述元素的合金；

2)将步骤1)所得混合粉料置于钛合金基材上，采用激光熔覆的方式在钛合金基材上形成熔池，熔池中碳与钛合金基材中的钛发生反应生成原位自生的碳化钛颗粒，最终在钛合金基材表面生成一层原位自生碳化钛颗粒增强的镍基梯度涂层；

所述激光熔覆的方式为，采用二氧化碳激光光源，功率1.2～2.3KW，扫描速度3～8mm/sec，离焦量200+(30-60)mm。

2.根据权利要求1所述的原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述镍粉的粒度为100目～500目，所述碳粉的粒度为1000目～5000目，其它元素微粉的粒度为100目～500目。

3.根据权利要求1所述的原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中的各组分的混合方式为手工研磨或机械球磨，研磨时间为6～24小时。

4.根据权利要求1所述的原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中混合料的供料方式可以为预置方式，通过冷静压、热喷涂或涂刷方式在钛合金基体材料上预置厚度0.5～1.5mm的混合粉料；或采用送粉方式供料。

5.根据权利要求1所述的原位自生碳化钛颗粒增强镍基梯度涂层的制备方法，其特征在于，将步骤2)产物进行去应力处理。