CN103993311A

CN103993311A - 在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的方法

Info

Publication number: CN103993311A
Application number: CN201410251250.2A
Authority: CN
Inventors: 许晓静; 吴桂兰; 陶俊; 何星华; 王宏宇; 戈晓岚; 仲奕颖
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2014-08-20

Abstract

一种在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的方法，它由混合粉压实片预制和激光熔覆处理组成。所述的预制混合粉压实片是指将Ti粉、Si粉先用球磨机混合均匀，然后烘干，最后在压力机上压制成片。所述的激光熔覆处理是指将压制片放置在经清洁处理的钛金属表面，然后进行激光熔覆加工。本发明熔覆工艺性能优良，涂层组织致密，界面结合良好，平均硬度约为HV650~690，耐磨性约为基体的2.4倍。

Description

在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面改性领域，尤其是一种钛金属表面改性技术，具体地说是一种在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层以提高其耐磨性和硬度的方法。

背景技术

钛金属具有比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好等一系列优点，是航空航天、武器装备、生物医用等领域不可或缺的关键材料。但钛材存在着耐磨性较差等不足，严重影响着它的使用性能和使用寿命。因此，在要求具有抗磨损性能的应用中，钛金属只有在经过改善摩擦学行为的表面改性处理后才被使用。

Ti-Si系合金是一种在国际上刚刚起步的新型合金材料，其中Ti₅Si₃是一种高熔点（2130℃）、高硬度（HV960）、低密度（4.32g/cm³）的金属间化合物，它不仅在常温下具有良好的性能，在高温环境中也表现出良好的高温稳定性、抗高温蠕变性、抗高温氧化性等性能，同时该涂层的组成元素都是耐氧化、生物相生物性很好的元素。

激光熔覆、激光合金化技术具有升温速度快、温度高、冷却快、冶金质量高、界面结合好等工艺特点，已成为涂层制备的一种重要方法。到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的工艺方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对钛金属表面耐磨性差的问题，发明一种在钛金属表面制备高质量Ti-Si合金涂层的方法，以提高钛金属的耐磨、耐氧化、生物相容等性能，同时保持其质轻的特点。

本发明的技术方案是：

一种在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的方法，其特征是它由混合粉压实片预制和激光熔覆处理二个步骤组成；所述的预制混合粉压实片是指将原子百分比分别为：Ti粉70-80%，Si粉20-30%的Ti粉、Si粉置于球磨机中混合均匀，然后烘干，最后在压力机上压制得到厚度不超过1毫米的预制压实片；所述的激光熔覆处理是指将所述的预制压实片放置在经清洁处理的钛金属表面，然后进行激光熔覆加工。

所述的混合粉压实片中Ti粉和Si粉的最佳原子百分比分别为：Ti粉75%，Si粉25%。

本发明的有益效果是：

（1）本发明Ti-Si合金涂层组织致密，与钛基体呈冶金结合，涂层硬度高、耐磨性好。

（2）本发明混合粉在激光熔覆过程中发生了冶金反应，涂层的相组成为α-Ti和Ti₅Si₃金属间化合物，涂层组织为α-Ti基体＋网状共晶组织（α-Ti，Ti₅Si₃）。

（3）本发明Ti-Si合金涂层沿横切面的硬度HV650~690，比基体硬度（约HV350）提高85~98%，涂层耐磨性约为基体2.4倍。

（4）本发明Ti-Si合金涂层的组成元素都是耐氧化、生物相生物性很好的元素。

附图说明

图1 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层的横切面金相照片。

图2 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层过渡区扫描电子显微镜形貌照片。

图3 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层的X射线衍射图。

图4 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层组织的扫描电子显微镜照片。

图5 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层的硬度沿层深变化曲线。

图6 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层摩擦系数图。

图7 是本发明实施例一的Ti-Si合金涂层的磨损表面形貌图。

图8 是本发明实施例一基体的磨损表面形貌图。

图9 是本发明实施例二的Ti-Si合金涂层的横切面金相照片。

具体实施方式：

以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1－8所示。

一种钛金属表面Ti-Si合金涂层，其制备方法为：

首先，根据Ti粉原子数占75% 、Si粉原子数占25%的比例计算出Ti粉和Si粉的重量，再将称量后的Ti粉和Si置于球磨机内混合均匀，取出烘干，在压力机上压制成片（厚度约为0.7ｍｍ，最大不超过1毫米）。

其次，将压制片放置在经清洁处理的钛金属表面，采用YLS-6000光纤激光器对其进行激光熔覆，工艺参数为：激光功率1.8KW，扫描速度420mm/min，光斑直径2mm。即获得一种在钛金属表面的Ti-Si合金涂层。

本实施例获得的涂层组织致密（图1），界面结合紧密（图2），涂层的组成相主要为α-Ti和Ti₅Si₃（图3），涂层组织为分布于α-Ti基体上的网状共晶组织（α-Ti，Ti₅Si₃）（图4），涂层平均硬度HV689比基体硬度HV350提高97%（图5）。与硬质合金YG6（直径Φ10mm，硬度HRA90-92）室温往复干摩擦对磨（试验力20N，行程4mm，磨损时间15min），涂层的平均摩擦系数0.39比基体的平均摩擦系数0.45降低13.3%（图6），耐磨性（磨损体积0.054mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.4倍（图7、图8）。

实施例二

本实施例与实施例一类同，不同之处在于所采用的激光工艺参数：激光功率1.8KW，扫描速度300 mm/mim，光斑直径2mm。

本实施例获得的涂层组织致密（图9），平均硬度为HV654.8。

实施例三。

根据Ti粉原子数占70% 、Si粉原子数占30%的比例称量Ti粉和Si粉制备预制片，然后进行激光熔覆，所得的表面涂层的性能与实施例一相似，同样具有涂层组织致密，界面结合紧密，涂层的组成相主要为α-Ti和Ti₅Si₃，涂层组织为分布于α-Ti基体上的网状共晶组织（α-Ti，Ti₅Si₃），涂层平均硬度HV685比基体硬度HV350提高96%。与硬质合金YG6（直径Φ10mm，硬度HRA90-92）室温往复干摩擦对磨（试验力20N，行程4mm，磨损时间15min），涂层的平均摩擦系数0.40比基体的平均摩擦系数0.45降低11.1%，耐磨性（磨损体积0.054mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.3倍。

实施例四。

根据Ti粉原子数占80% 、Si粉原子数占20%的比例称量Ti粉和Si粉制备预制片，然后进行激光熔覆，所得的表面涂层的性能与实施例一相似，同样具有涂层组织致密，界面结合紧密，涂层的组成相主要为α-Ti和Ti₅Si₃，涂层组织为分布于α-Ti基体上的网状共晶组织（α-Ti，Ti₅Si₃），涂层平均硬度HV690比基体硬度HV350提高97.1%。与硬质合金YG6（直径Φ10mm，硬度HRA90-92）室温往复干摩擦对磨（试验力20N，行程4mm，磨损时间15min），涂层的平均摩擦系数0.385比基体的平均摩擦系数0.45降低13.4%，耐磨性（磨损体积0.054mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.4倍。

本发明未涉及部分均于现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种在钛金属表面制备Ti-Si合金涂层的方法，其特征是它由混合粉压实片预制和激光熔覆处理二个步骤组成；所述的预制混合粉压实片是指将原子百分比分别为：Ti粉70-80%，Si粉20-30%的Ti粉、Si粉置于球磨机中混合均匀，然后烘干，最后在压力机上压制得到厚度不超过1毫米的预制压实片；所述的激光熔覆处理是指将所述的预制压实片放置在经清洁处理的钛金属表面，然后进行激光熔覆加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的混合粉压实片中Ti粉和Si粉的原子百分比分别为：Ti粉75%，Si粉25%。