CN104005023B

CN104005023B - 在钛金属表面制备Ti-Al-Nb合金涂层的方法

Info

Publication number: CN104005023B
Application number: CN201410249901.4A
Authority: CN
Inventors: 许晓静; 何星华; 陶俊; 戈晓岚; 王宏宇; 吴桂兰; 刘庆辉
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN104005023A

Abstract

一种在钛金属表面制备Ti-Al-Nb合金涂层的方法，其特征是它由预制由Ti粉、Al粉、Nb粉和Y₂O₃粉组成的混合粉压实片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、Al粉、Nb粉和Y₂O₃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，涂层的主要组成相为Ti₃Al、AlNb₂，涂层沿横切面的硬度变化小，平均硬度约为HV530~600，耐磨性约为基体的3倍。本发明Ti-Al-Nb合金涂层的组成元素都是耐氧化、耐腐蚀性很好的元素，具有广泛的应用领域。

Description

在钛金属表面制备Ti-Al-Nb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-Al-Nb合金涂层的方法。

背景技术

钛金属具有比强度高、耐蚀性优异、生物相容性好等突出优点，在航空航天、武器装备以及民用工业领域有着广泛的应用。但其硬度较低、摩擦系数较大、耐磨损性较差，限制了其性能的充分发挥。

众所周知，TiAl金属间化合物是一种极具竞争力的轻质、耐磨、耐高温、耐氧化结构材料，其中β型γ-TiAl还具有良好的塑性和韧性，是近年来金属间化合物领域的研究热点。

激光熔覆、激光合金化技术是一种能同时改变材料表面物理性质和化学性质的处理技术，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-Al-Nb合金涂层的工艺方法可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明的目的针对现有的钛金属表面硬度较低、摩擦系数较大、耐磨损性较差，限制了其性能的充分发挥的问题，发明一种在钛金属表面制备高质量Ti-Al-Nb合金涂层的方法，以便提高钛金属的耐磨、耐氧化等性能，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-Al-Nb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，所述的混合粉由Ti粉、Al粉、Nb粉和Y₂O₃粉组成，它们的质量百分比分别为：Ti粉53-55%，Al粉29-31%，Nb粉14.-15%，Y₂O₃粉0.5-0.8%；

所述的混合粉压实片预制是指将上述质量比例的Ti粉、Al粉、Nb粉和Y₂O₃粉先用球磨机混合均匀，然后烘干，最后在压力机上压制成厚度不超过1毫米的压实片；

所述的激光熔覆处理是指将预制所得的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最佳配比为由质量百分比分别为：Ti粉54.56%、Al粉30.22%、Nb粉14.56%和Y₂O₃粉0.66%组成。

本发明的有益效果是：

（1）本发明Ti-Al-Nb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Ti₃Al、AlNb₂金属间化合物。

（3）本发明Ti-Al-Nb合金涂层沿横切面的硬度变化小，硬度约为HV530~600，比基体硬度（约HV350）提高51~72%，涂层耐磨性约为基体3倍。

附图说明

图1是本发明实施例一的Ti-Al-Nb合金涂层的横切面金相照片。

图2是本发明实施例一的Ti-Al-Nb合金涂层横切面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-Al-Nb合金涂层表面的X射线衍射图。

图4是本发明实施例一的Ti-Al-Nb合金涂层的硬度沿层深变化曲线。

图5是本发明实施例一的Ti-Al-Nb合金涂层的摩擦系数图。

图6是本发明实施例一的Ti-Al-Nb合金涂层的磨损表面形貌图。

图7是本发明实施例一的基体的磨损表面形貌图。

图8是本发明实施例二的Ti-Al-Nb合金涂层的横切面金相照片。

图9是本发明实施例三的Ti-Al-Nb合金涂层的横切面金相照片。

图10是本发明实施例四的Ti-Al-Nb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1－7所示。

一种钛金属表面Ti-Al-Nb合金涂层，其制备方法为：

首先，取Ti粉54.56克、Al粉30.22克、Nb粉14.56克和Y₂O₃粉0.66克，置于球磨机内混合均匀（球磨工艺可采用现有技术加以实现），取出烘干，在压力机上压制成片（厚度约为0.7ｍｍ，可以最厚压制成1毫米厚）得到预制压实片。

其次，将上步制得的预制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300mm/min，光斑直径2mm。即获得一种在钛金属表面的Ti-Al-Nb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Ti₃Al、AlNb₂（图3），涂层沿横切面的硬度变化小，其平均硬度HV596.6比基体硬度HV350提高70%（图4）。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0.33比基体的平均摩擦系数0.45降低27%（图5），耐磨性（磨损体积0.044mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.95倍（图6、图7）。

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1.6KW，扫描速度300mm/mim，光斑直径2mm。

本实施例获得的涂层组织致密（图8），平均硬度为HV588.3。

实施例三

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2.0KW，扫描速度300mm/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HV531.6。

实施例四

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2.3KW，扫描速度300mm/mim，光斑直径2mm。

本实施例获得的涂层组织致密（图10），平均硬度为HV545.6。

实施例五。

一种钛金属表面Ti-Al-Nb合金涂层，其制备方法为：

首先，取Ti粉53克、Al粉31克、Nb粉15克和Y₂O₃粉0.5克，置于球磨机内混合均匀（球磨工艺可采用现有技术加以实现），取出烘干，在压力机上压制成片（厚度约为0.7ｍｍ，可以最厚压制成1毫米厚）得到预制压实片。

实施例六。

一种钛金属表面Ti-Al-Nb合金涂层，其制备方法为：

首先，取Ti粉55克、Al粉29克、Nb粉14克和Y₂O₃粉0.8克，置于球磨机内混合均匀（球磨工艺与可采用现有技术加以实现），取出烘干，在压力机上压制成片（厚度约为0.7ｍｍ，可以最厚压制成1毫米厚）得到预制压实片。

实施例五、六获得的涂层组织致密（与图1类似），界面结合紧密（与图2类似），涂层的组成相主要为Ti₃Al、AlNb₂，涂层沿横切面的硬度变化小，其平均硬度HV595.6比基体硬度HV350提高约70%。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0.33比基体的平均摩擦系数0.45也降低约27%，耐磨性（磨损体积0.044mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的约2.95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-Al-Nb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，所述的混合粉由Ti粉、Al粉、Nb粉和Y₂O₃粉组成，它们的质量百分比分别为：Ti粉53-55%，Al粉29-31%，Nb粉14-15%，Y₂O₃粉0.5-0.8%；

所述的混合粉压实片预制是指将上述质量比例的Ti粉、Al粉、Nb粉和Y₂O₃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厚度不超过1毫米的压实片；

所述的激光熔覆处理是指将预制所得的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，即可得到涂层的相组成为Ti₃Al、AlNb₂金属间化合物的Ti-Al-Nb合金涂层，该Ti-Al-Nb合金涂层沿横切面的硬度变化小，硬度为HV530~600，比基体硬度提高51~72%，涂层耐磨性为基体3倍。

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由质量百分比分别为：Ti粉54.56%、Al粉30.22%、Nb粉14.56%和Y₂O₃粉0.66%组成。