CN103628056B - 用于ta15钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TA15钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法，属于金属表面处理技术领域。激光熔覆方法包括如下步骤：激光熔覆前对钛合金表面清理；将一定质量比例的Ni60、TiB₂、Co包WC混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状，混合粉末中各成分的质量百分比为：Ni60占32%～77%，TiB₂占12%～29%，Co包WC占11%～39%；将糊状混合粉末均匀涂敷在TA15钛合金的表面上，涂层厚度为：0.4～2mm；用激光束对钛合金表面上的预涂层进行激光熔覆，工艺参数为：激光功率0.75-1.5kW,扫描速度2.5～7.5mm/s，光斑直径4mm，激光器镜面到钛合金表面的距离为100mm，氩气保护气压为0.3～0.7MPa。本发明可大幅提高TA15钛合金表面的硬度和耐磨性等。

Description

用于TA15钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种用于TA15钛合金表面激光熔覆的材料，属于金属表面处理技术领域。本发明还涉及采用上述激光熔覆材料在TA15钛合金表面激光熔覆的方法。

背景技术

TA15钛合金具有高比模量、高比强度、优异耐蚀性及抗蠕变性能等优点，是近年来研发的重要航空材料。但TA15钛合金表面耐磨性较差，限制了其潜能的发挥。激光熔覆陶瓷颗粒增强复合涂层是提高TA15钛合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)表面耐磨性的有效途径。激光熔覆技术具有冷却速度快、与基体呈现冶金结合、熔覆层组织致密等优点，在国内外得到了广泛的研究与应用。激光熔覆可使熔覆层与钛合金基体产生冶金结合，形成具有良好强韧性的熔覆层。通过激光熔覆技术可以修复各种失效零件，如航空发动机涡轮叶片等。但目前在TA15钛合金表面激光熔覆陶瓷硬质相其熔覆层尚存在很多缺陷，例如：熔覆层的脆韧性能差、硬度低、耐磨性能差等。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够大幅提高TA15钛合金表面的硬度和耐磨性的激光熔覆的材料及利用该熔覆材料进行激光熔覆的方法。

本发明中，用于TA15钛合金表面激光熔覆的材料，其是由Ni60粉、TiB₂粉、Co包WC粉混合而成，各组分及其质量百分比为：Ni60占32%～77%，TiB₂占12%～29%，Co包WC占11%～39%。

所述的Co包WC粉中Co的含量为8wt.%～31wt.%。

所述的Co包WC粉中Co的含量为20wt.%。

所述Ni60粉的尺寸为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸为50～150μm。

本发明的激光熔覆方法是：包括如下步骤：

（1）激光熔覆前对TA15钛合金待熔表面清理、拭净、吹干；

（2）将一定质量比例的Ni60、TiB₂、Co包WC混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Ni60占32%～77%，TiB₂占12%～29%，Co包WC占11%～39%；

（3）将糊状混合粉末均匀涂敷在TA15钛合金的待熔表面上，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干；

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光功率0.75-1.5kW,扫描速度2.5～7.5mm/s，光斑直径4mm，激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm，氩气保护气压为0.3～0.7MPa。

步骤（1）中的激光熔覆前表面清理包括机械清理和化学清理，所述机械清理是指用金相砂纸打磨TA15钛合金的待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra1.6～6.4μm，所述化学清理是指采用体积百分比为10%的硫酸或10%～15%盐酸水溶液对TA15钛合金的待熔表面进行清洗，酸洗时间为5～10min，酸洗后用清水冲洗、用酒精将待熔表面擦拭干净、吹干。

步骤（2）中所述的Co包WC粉末中Co的含量为8wt.%～31wt.%。

步骤（2）中所述的Co包WC粉末中Co的含量优选为20wt.%。

步骤（2）中的混合粉末中，所述Ni60粉的尺寸为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸为50～150μm。

步骤（2）中的水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例为1：3。

本发明中，Ni60合金粉末的化学成分是（质量分数）：Fe＜15%，Cr16%，B4%，Si4%，C0.8%，余量为Ni。Ni60合金粉末的加入可改善激光熔覆层的脆韧性能，而TiB₂-Co包WC的加入则可极大提高激光熔覆层的硬度与耐磨性能。本发明的激光熔覆涂层的相组成较为复杂，主要包含γ-Co\Ni,Ti₂Co,TiNi_x，Cr₂₃C₆,TiC,AlNi_X，TiB₂,WC,α-W₂C及Co₆W₆C等相。该激光溶覆涂层组织主要由γ-Co\Ni固溶体，碳化物，硼化物，硅化物+γ-固溶体的共晶体以及初晶合金渗碳体和共晶合金渗碳体等金属化合物组成。激光熔覆过程中，TiB₂及原位生成TiC颗粒熔入液体合金中，阻碍枝晶生长，有利于激光涂层组织细化，提高其力学性能；另外，在熔覆过程中，大量Ti,V及Mo等元素由基体进入熔池中，影响γ-Co，γ-Ni在快速凝固时作为初生相的析出，抑制晶化相的长大，从而改变其生长形态，有利于组织结构细化。另外，Ni基合金中含有大量的Cr等元素，有利于激光熔覆后形成固溶体，熔覆之后涂层中除了大量的原有固溶体之外还形成了一些新的固溶体，可以大大提高材料的强度、韧性以及硬度，改善金属表面的耐磨性。

激光溶覆过程中，由于Ni60粉末中的Ni与γ-Fe同为面心立方晶格结构，可以无限互溶。在激光熔池底部，Ni优先与γ-Fe形成固溶体晶核，晶核不断向处于熔融状态的熔池中吸收大量的Ni原子而长大，大部分的Ni元素都聚集于此，在熔合区形成了富Ni的γ-固溶体，对激光熔覆层起到固溶强化的作用，可提高材料的强度、韧性以及硬度，改善金属表面的耐磨性。在激光熔覆过程中，Al易于与通过稀释作用而进入熔池的Ti发生化学反应，形成具有密度低、比强度高、弹性模量高以及优异的抗氧化性和耐腐蚀性能Ti-Al金属间化合物，进一步提升TA15基体表面的性能。另外，激光熔覆过程中由于基体对熔池的稀释作用，大量元素如Zr,Mo,Al,V等由基体进入到激光涂层中，激光熔覆是一个快速冷却凝固的过程，这有利于非晶体系，如Co-Zr，Fe-B-Si系非晶合金在涂层中形成，适量非晶的形成有利于激光涂层耐磨性能的改善。

本发明通过在TA15钛合金表面激光熔覆Ni60、TiB₂、Co包WC混合粉末，其激光熔覆层的组织细密而均匀，分布着大量的陶瓷硬质相、非晶相及奥氏体组织，熔覆层的硬度较高。激光熔覆层与TA15基体形成冶金结合，随着熔覆层深度的增加，至热影响区时，由于基体对激光熔覆层的稀释而引起硬度的降低。靠近激光熔覆层的热影响区中组织发生马氏体相变，因而显微硬度提高。随着距离表面层深的增加，显微硬度持续下降，直至降至基体后趋于稳定。通过激光熔覆,熔覆层的显微硬度比TA15钛合金基体的硬度提高了约4.5倍，磨损体积为基体的1/11。此外，本发明通过对激光熔覆工艺参数的优化，防止了裂纹、气孔等缺陷的形成。本发明能够获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金表面强化涂层，并具有工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。

说明书附图

图1是本发明中激光熔覆涂层中部组织结构图；

图中，白色颗粒为WC及α-W₂C，棒状析出物为Ti-B化合物；

图2是本发明中激光熔覆层的X射线衍射图；

图中，relativeintensity：相对强度；counts：计数；position：位置。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1

将TA15钛合金切成长度30mm、宽度11mm、厚度10mm的长方体。将质量分数为：57wt.%Ni60，21wt.%TiB₂，22wt.%Co包WC（Co的质量占20%)的混合粉末激光熔覆在其30mm×11mm面上。

具体工艺步骤如下：

（1）激光熔覆前，清理TA15钛合金表面，并拭净、吹干；

（2）分别称取Ni60合金粉末0.57g、TiB₂粉0.21g、Co包WC粉0.22g。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）将此混合粉末均匀搅拌成糊状。所述Ni60粉的尺寸优选为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸优选为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸优选为50～150μm，水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例优选为1：3。

（3）将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干。

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光器功率0.75kW,保护氩气0.3MPa，扫描速度2.5mm/s，光斑直径4mm。将TA15钛合金试样放置在正对着激光发射口的位置，涂层表面距离激光器镜面100mm。同时，将保护气口正对着钛合金涂层表面，位置调整好之后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器喷口拉开一定距离，然后让试样向激光喷口方向以一定的速度匀速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前一秒开启保护气。当试样将要运动到激光喷口正中心垂直位置时，提前一秒开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。在激光熔覆过程中，试样保持原有的运动速度不变。试样表面完全激光熔覆发生后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。后关闭保护气的原因是为了使保护气对试样表面进行充分的保护。

本实施例中，为了保证熔覆层与基体材料的结合，步骤（1）中的激光熔覆前表面清理可包括机械清理和化学清理，所述机械清理是指用金相砂纸打磨TA15钛合金的待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra1.6～6.4μm，所述化学清理是指采用体积百分比为10%的硫酸或10%～15%盐酸水溶液对TA15钛合金的待熔表面进行清洗，酸洗时间为5～10min，酸洗后用清水冲洗、用酒精将待熔表面擦拭干净、吹干。

本发明中，激光熔覆时在熔合区形成了富Ni的γ-固溶体，对激光熔覆层起到固溶强化的作用。本实施例中，激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。

激光熔覆后，该激光熔覆层在硬质相与细晶强化作用下，试样表面硬度可达1550～1630HV_0.2，较TA15钛合金基体提高了约4倍。因该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，该熔覆层的磨损体积为合金基体的1/11。

本发明的其它部分采用已知技术，在此不再赘述。

实施例2

将TA15钛合金切成长度35mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。将质量分数为：50wt.%Ni60，13wt.%TiB₂，37wt.%Co包WC（Co的质量占15%)的混合粉末激光熔覆在其35mm×10mm面上。

具体工艺步骤如下：

（1）激光熔覆前，清理TA15钛合金表面，并拭净、吹干；

（2）分别称取Ni60合金粉末0.50g、TiB₂粉0.13g、Co包WC粉0.37g。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）将此混合粉末均匀搅拌成糊状。所述Ni60粉的尺寸优选为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸优选为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸优选为50～150μm，水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例优选为1：3。

（3）将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干。

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光器功率1.15kW,保护氩气0.5MPa，扫描速度6.5mm/s，光斑直径4mm。激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm。

本实施例中，激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层的显微硬度有提高。熔覆层硬度可以达到1450～1520HV_0.2，较钛合金基体提升3～4倍。该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，熔覆层的磨损体积为熔覆层的磨损体积为TA15合金基体的1/9。

本实施例的其它部分与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

将TA15钛合金切成长度35mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。将质量分数为：61wt.%Ni60，27wt.%TiB₂，12wt.%Co包WC（Co的质量占20%)的混合粉末激光熔覆在其35mm×10mm面上。

具体工艺步骤如下：

（1）激光熔覆前，清理TA15钛合金表面，并拭净、吹干；

（2）分别称取Ni60合金粉末0.61g、TiB₂粉0.27g、Co包WC粉0.12g。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）将此混合粉末均匀搅拌成糊状。所述Ni60粉的尺寸优选为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸优选为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸优选为50～150μm，水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例优选为1：3。

（3）将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干。

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光器功率1.4kW,保护氩气0.7MPa，扫描速度7.3mm/s，光斑直径4mm。激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm。

本实施例中，激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层的显微硬度有提高。熔覆层硬度可以达到1630～1690HV_0.2，较钛合金基体提升约4倍。该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，熔覆层的磨损体积为TA15合金基体的1/11。

本实施例的其它部分与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

将TA15钛合金切成长度35mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。将质量分数为：32wt.%Ni60，29wt.%TiB₂，39wt.%Co包WC（Co的质量占8%)的混合粉末激光熔覆在其35mm×10mm面上。

具体工艺步骤如下：

（1）激光熔覆前，清理TA15钛合金表面，并拭净、吹干；

（2）分别称取Ni60合金粉末0.32g、TiB₂粉0.29g、Co包WC粉0.39g。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）将此混合粉末均匀搅拌成糊状。所述Ni60粉的尺寸优选为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸优选为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸优选为50～150μm，水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例优选为1：3。

（3）将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干。

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光器功率1.5kW,保护氩气0.4MPa，扫描速度7.5mm/s，光斑直径4mm。激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm。

本实施例中，激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层的显微硬度有提高。熔覆层硬度可以达到1450～1520HV_0.2，较钛合金基体提升3～4倍。该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，熔覆层的磨损体积为熔覆层的磨损体积为TA15合金基体的1/9。

本实施例的其它部分与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例5

将TA15钛合金切成长度35mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。将质量分数为：77wt.%Ni60，12wt.%TiB₂，11wt.%Co包WC（Co的质量占31%)的混合粉末激光熔覆在其35mm×10mm面上。

具体工艺步骤如下：

（1）激光熔覆前，清理TA15钛合金表面，并拭净、吹干；

（2）分别称取Ni60合金粉末0.77g、TiB₂粉0.12g、Co包WC粉0.11g。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）将此混合粉末均匀搅拌成糊状。所述Ni60粉的尺寸优选为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸优选为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸优选为50～150μm，水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例优选为1：3。

（3）将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干。

（4）用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光器功率1.0kW,保护氩气0.6MPa，扫描速度5.0mm/s，光斑直径4mm。激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm。

本实施例中，激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层的显微硬度有提高。熔覆层硬度可以达到1450～1520HV_0.2，较钛合金基体提升3～4倍。该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，熔覆层的磨损体积为熔覆层的磨损体积为TA15合金基体的1/9。

本实施例的其它部分与实施例1相同，在此不再赘述。

由以上实施例，本发明通过在TA15钛合金表面激光熔覆Ni60、TiB₂、Co包WC混合粉末，其激光熔覆层的组织细密而均匀，分布着大量的陶瓷硬质相、非晶相及奥氏体组织，熔覆层的硬度较高，如附图1-2所示。

Claims (3)

1.一种TA15钛合金表面激光熔覆方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)激光熔覆前对TA15钛合金待熔表面清理、拭净、吹干；

(2)将一定质量比例的Ni60、TiB₂、Co包WC混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Ni60占32％～77％，TiB₂占12％～29％，Co包WC占11％～39％；所述Ni60粉的尺寸为20～300μm，所述TiB₂粉的尺寸为20～300μm，所述Co包WC粉的尺寸为50～150μm；所述的Co包WC粉中Co的含量为15wt.％～20wt.％；

(3)将糊状混合粉末均匀涂敷在TA15钛合金的待熔表面上，涂层厚度为：0.4～2mm，自然风干；

(4)用激光束对钛合金试样表面上的预涂层进行激光熔覆，激光束垂直扫描，并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为：激光功率0.75-1.5kW,扫描速度2.5～7.5mm/s，光斑直径4mm，激光器镜面到钛合金试样表面的距离为100mm，氩气保护气压为0.3～0.7MPa。

2.根据权利要求1所述的TA15钛合金表面激光熔覆方法，其特征是：步骤(1)中的激光熔覆前表面清理包括机械清理和化学清理，所述机械清理是指用金相砂纸打磨TA15钛合金的待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra1.6～6.4μm，所述化学清理是指采用体积百分比为10％的硫酸或10％～15％盐酸水溶液对TA15钛合金的待熔表面进行清洗，酸洗时间为5～10min，酸洗后用清水冲洗、用酒精将待熔表面擦拭干净、吹干。

3.根据权利要求1所述的TA15钛合金表面激光熔覆方法，其特征是：步骤(2)中的水玻璃溶液中纯水玻璃与水的体积配置比例为1：3。