CN104018155A

CN104018155A - 在钛金属表面制备Ti-Si-C涂层的方法

Info

Publication number: CN104018155A
Application number: CN201410251279.0A
Authority: CN
Inventors: 许晓静; 吴桂兰; 陶俊; 何星华; 戈晓岚; 王宏宇; 仲奕颖
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN104018155B

Abstract

一种在钛金属表面制备Ti-Si-C涂层的方法，其特征是它由涂层合金粉末片制备和激光熔覆处理组成。其中，Ti粉、Si粉和石墨粉经混合球磨烘干后，在压片机上压制合金粉末片，且涂层合金粉末片中各组分的原子个数百分比为：Ti粉50%，Si粉16.7%，C粉33.3%。本发明熔覆工艺性能优良，涂层组织致密，界面结合良好，主要组成相为α-Ti、TiC_x、Ti₅Si₃和Ti₃SiC₂，组织为α-Ti基体＋网状Ti₃SiC₂、Ti₅Si₃和棒状、颗粒状TiCx，涂层的平均硬度约为HV570~690，与基体（约HV350）相比，提高了62~98%，耐磨性约为钛金属基体的2.7倍。本发明Ti-Si-C合金涂层的组成元素都是耐高温、生物相生物性很好的元素，具有广泛的应用领域。

Description

在钛金属表面制备Ti-Si-C涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面改性技术，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-C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，广泛应用于航空、航天、化工、生物医疗等领域。但其摩擦系数较大、硬度较低、耐磨损性较差等缺点，限制了其潜能的发挥。

Ti-Si-C三元化合物是一种兼具金属和陶瓷性能的新型陶瓷材料，其典型代表为Ti₃SiC₂，它既有金属般良好的导电、导热、塑性、韧性及机械加工性，又有陶瓷般的高熔点、耐腐蚀、抗高温氧化等，同时因其具有石墨般的层状结构，而拥有良好的自润滑性。制备纯的Ti₃SiC₂较为困难，但若将其作为钛金属涂层材料，即使生成了TiC以及Ti₅Si₃也不会破坏涂层性能，反而起增强作用；加之Ti₃SiC₂的热膨胀系数与钛金属相近，两者具有良好的匹配性，由此推断涂层与基体将具有很高的结合强度。

采用激光熔覆技术制备陶瓷涂层或陶瓷颗粒增强的复合材料涂层是提高钛金属表面耐磨和抗高温氧化性能的有效途径。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-C合金涂层的工艺方法可供使用。

发明内容

本发明的是针对未经过表面处理的钛金属存在表面摩擦系数大、硬度低、耐磨损性差的问题，发明一种在钛金属表面制备Ti-Si-C涂层的方法，以提高钛金属的耐磨、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-C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；所述的混合粉压实片由Ti粉、Si粉和C粉组成，它们的原子个数百分比分别为：Ti粉45-55%，Si粉14.7-18.7%，C粉30.3-36.3%；所述的混合粉压实片预制是指将Ti粉、Si粉和C粉先用球磨机混合均匀，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、Si粉、C粉的最佳原子个数百分比分别为：Ti粉50%，Si粉16.7%，C粉33.3%。

本发明的有益效果是：

（1）本发明Ti-Si-C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、TiC_x、Ti₅Si₃和Ti₃SiC₂，涂层组织为α-Ti基体＋网状Ti₃SiC₂、Ti₅Si₃和棒状、颗粒状TiCx。

（3）本发明Ti-Si-C合金涂层沿横切面的硬度HV570~690，比基体硬度（约HV350）提高62~98%，涂层耐磨性约为基体2.7倍。

（4）本发明Ti-Si-C合金涂层的组成元素都是耐高温、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-C涂层的横切面金相照片。

图2 是本发明实施例一的Ti-Si-C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-C涂层的X射线衍射图。

图4 是本发明实施例一的Ti-Si-C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-C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-C涂层摩擦系数图。

图7 是本发明实施例一的Ti-Si-C涂层磨损表面形貌图。

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-C涂层的横切面金相照片。

图10 是本发明实施例三的Ti-Si-C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。

如图1－8所示。

一种在钛金属表面制备Ti-Si-C合金涂层的方法，它包括以下步骤：

首先，根据Ti粉的原子百分数占50%、Si粉的原子百分数占16.7%、C粉的原子百分数占33.3%的比例计算出所需的Ti粉、Si粉和C粉的重量，其次，将称量后的Ti粉、Si粉和C粉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，最大厚度为1毫米）。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2.0KW，扫描速度540mm/min，光斑直径2mm。即获得一种在钛金属表面的Ti-Si-C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、TiC_x、Ti₅Si₃和Ti₃SiC₂（图3），涂层组织主要由分布于Ti基体上的网状的Ti₃SiC₂及Ti₅Si₃和棒状、颗粒状的TiCx相组成（图4），涂层平均硬度HV649比基体硬度HV350提高85.4%（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0.38比基体的平均摩擦系数0.45降低16%（图6），耐磨性（磨损体积0.048mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.71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2.0KW，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HV572.8。

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420 mm/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HV684.8。

实施例四。

首先，根据Ti粉的原子百分数占45%、Si粉的原子百分数占18.7%、C粉的原子百分数占36.3%的比例计算出所需的Ti粉、Si粉和C粉的重量，其次，将称量后的Ti粉、Si粉和C粉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，最大厚度为1毫米）。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2.0KW，扫描速度540mm/min，光斑直径2mm。即获得一种在钛金属表面的Ti-Si-C合金涂层。

本实施例获得的涂层组织致密，界面结合紧密，涂层的组成相主要为α-Ti、TiC_x、Ti₅Si₃和Ti₃SiC₂，涂层组织主要由分布于Ti基体上的网状的Ti₃SiC₂及Ti₅Si₃和棒状、颗粒状的TiCx相组成，涂层平均硬度HV647比基体硬度HV350提高85.3%。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15%，耐磨性（磨损体积0.0486mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.70倍。

实施例五。

首先，根据Ti粉的原子百分数占55%、Si粉的原子百分数占14.7%、C粉的原子百分数占30.3%的比例计算出所需的Ti粉、Si粉和C粉的重量，其次，将称量后的Ti粉、Si粉和C粉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，最大厚度为1毫米）。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2.0KW，扫描速度540mm/min，光斑直径2mm。即获得一种在钛金属表面的Ti-Si-C合金涂层。

本实施例获得的涂层组织致密），界面结合紧密，涂层的组成相主要为α-Ti、TiC_x、Ti₅Si₃和Ti₃SiC₂，涂层组织主要由分布于Ti基体上的网状的Ti₃SiC₂及Ti₅Si₃和棒状、颗粒状的TiCx相组成，涂层平均硬度HV650比基体硬度HV350提高85.5%。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0.375比基体的平均摩擦系数0.45降低16.1%，耐磨性（磨损体积0.0475mm³）是基体（磨损体积0.13mm³）的2.72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-C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；所述的混合粉压实片由Ti粉、Si粉和C粉组成，它们的原子个数百分比分别为：Ti粉45-55%，Si粉14.7-18.7%，C粉30.3-36.3%；所述的混合粉压实片预制是指将Ti粉、Si粉和C粉先用球磨机混合均匀，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、Si粉、C粉的原子个数百分比分别为：Ti粉50%，Si粉16.7%，C粉33.3%。