CN104451659A

CN104451659A - 钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法

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Publication number: CN104451659A
Application number: CN201410594894.1A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 王永田; 刘姝女
Original assignee: BEIJING HUADIAN HONGYANG TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: BEIJING HUADIAN HONGYANG TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-03-25

Abstract

一种钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法，属于表面工程技术领域。利用激光束在钛合金部件表面反应合成TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料成分设计及粉末、熔覆层的制备工艺。该发明可使熔覆层与基体结合界面Ti含量连续变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成过多脆性相，从而在钛合金表面制备高结合强度的TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层，通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度达3600μm。

Description

钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法，利用激光熔覆法在钛合金部件表面反应合成TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料和制备工艺。

背景技术

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于国防与民用领域。但由于钛合金存在摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点，制约了其应用范围。在保持钛合金原有优异性能的条件下，表面涂覆层技术是提高钛合金表面耐磨性能的重要途径。

TiC_x颗粒增强金属基复合材料具有密度低、耐磨性好、良好的导热与导电性等优点,在航空航天、民用制造等领域中有着广阔的应用前景。目前陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法包括加入陶瓷颗粒和原位反应合成陶瓷颗粒等两种技术。在激光熔覆法制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的领域，反应合成陶瓷颗粒技术与传统加入陶瓷颗粒技术相比有如下特点:(1)陶瓷相是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相,陶瓷颗粒表面无污染,避免了与基体相容性不良的问题,界面结合强度高。(2)由于激光束光斑较小且能量密度有限，而TiC等陶瓷颗粒的熔点达3200℃，如采用外加陶瓷颗粒法，加入的陶瓷含量不能太高(一般外加陶瓷颗粒的质量分数为5-30％)。采用反应合成法时，陶瓷相在熔覆过程中生成，且为放热反应(例如Ti-C可在≤1000℃时发生剧烈的放热反应)；这样，可利用较小功率激光束，形成高陶瓷相含量的陶瓷-金属复合熔覆层。

钛合金的耐磨性较差，对于在磨损、水蚀、高温冲蚀环境下工作的钛合金材料(如汽轮机末级叶片)，如何提高其表面耐磨性是工程应用中的关键问题。如果在钛合金基体上制备具有冶金结合的高耐磨的陶瓷-金属复合材料熔覆层，就可使钛合金部件在满足轻质、高强韧性要求的同时，其表面具有高的耐磨性。

热喷涂技术可用于在金属基体上制备陶瓷-金属复合涂层，但涂层存在结合强度较低(机械结合、结合强度一般≤50MPa)、涂层厚度一般小于500mm等局限性，涂层结合强度及厚度无法满足一些严酷磨损工况下的耐磨要求。

激光熔覆技术为当今国内外最先进涂覆层制备技术之一，该技术具有高能量密度、稀释度低、工件热变形极小等特点。激光熔覆的涂层具有组织致密、无气孔、无裂缝、与基体冶金结合、成分及厚度均匀等优点，这些优点是其它表面技术难以具备的。

目前常用的陶瓷颗粒增强金属基复合材料体系主要有镍基、铁基、铝基等，如采用上述体系的材料进行激光熔覆，易产生如下问题：(1)在熔覆过程中，被熔覆的Ni、Fe、Al在熔覆层与基体结合面处生成硬而脆的金属间化合物(如Ti-Ni系、Ti-Fe系、Ti-Al系等)，此类金属间化合物的形成导致界面结合强度大幅度下降；(2)当采用多层熔覆法制备厚的熔覆层时，由于热应力的反复作用，易导致熔覆层在界面结合处损伤、产生大量裂纹或整体剥落。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法，利用激光束在钛合金部件表面反应合成TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料成分设计及粉末、熔覆层的制备工艺。利用激光束熔覆本发明所述粉末材料，形成陶瓷-金属复合材料熔覆层。熔覆层与基体结合界面Ti含量无突变，可避免在熔覆层与基体结合界面生成脆性相，从而实现在激光多层熔覆的条件下，熔覆层不剥落、熔覆层与基体结合强度高。

本发明可使熔覆层与基体结合界面Ti含量连续变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成过多脆性相，从而在钛合金表面制备具有冶金结合的TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层，通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度达3600μm。

本发明熔覆层的粉末原料的各组份重量百分含量如下：

石墨C粉(粒度-200+325目,纯度≥99.5％,其中,-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范围，)：2-10wt.％；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末的成分为：Ni:5-15wt.％；Zr：5-15wt.％；Cu:5-10wt.％；Ti：余量。

粉末原料中各组分作用如下：

Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末在激光束的作用下熔化(该合金粉末熔点≤1200℃)，部分Ti与C反应生成高硬度的TiC_x相，余下未与C反应的Ti与Zr、Ni、Cu形成多元复合的Ti-Zr-Ni-Cu合金，该合金作为熔覆层中的连续相。在多元复合的Ti-Zr-Ni-Cu合金中，Zr、Ni、Cu的作用是形成Ti-Zr-Ni-Cu固溶体、金属间化合物(Ti-Ni、Ti-Zr、Ti-Ni-Cu等)。通过固溶强化、金属间化合物的增强作用，使熔覆后形成的多元复合Ti-Zr-Ni-Cu合金具有硬度高(800-1000HV)、耐磨性好、抗高温氧化性能优于钛合金等特性。上述多元复合的Ti-Zr-Ni-Cu合金与基体钛合金形成冶金结合，界面结合处强韧性高。

气雾化法为制备氧含量低粉末的成熟技术，本发明采用气雾化法制备Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末，并利用筛分法将气雾化法制备的粉末进行粒度筛分，筛分后用于激光熔覆的粒度范围为-140+325目。对成品Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末所含杂质的要求如下：O：≤0.2wt.％；Si：≤0.3wt.％；Mn：≤0.3wt.％；P：≤0.045wt.％；S：≤0.05wt.％。

熔覆层的制备工艺如下：

1、制备混合粉末

(1)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即：石墨C粉：3-10wt.％；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉：余量；

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120-150℃，干燥时间为2-4小时；

(3)利用混料机进行混料，混料时间2-4小时；

(4)将均匀混和后的混合粉末装入塑料桶密封储存。

2、制备熔覆层

本发明的技术可用于在厚度≥4mm的钛合金部件表面制备熔覆层，钛合金部件主要包括平板类、圆管类外表面、叶片类等。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用酸洗方法对钛合金部件的待熔覆表面进行去氧化层处理。

(2)配置预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，搅拌后形成预敷层浆料，各组分比例为：PVB胶：3-5wt.％；高纯酒精(纯度99.5％):28-40wt.％；混合粉末：余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于玻璃容器内，用玻璃棒手工搅拌8-20分钟，形成预敷层浆料。

(3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于钛合金部件表面，预敷层厚度约为800-1200μm。

(4)将具有预敷层钛合金部件在高温炉中干燥，干燥温度130-200℃，干燥时间为20-50分钟。

(5)将干燥后的钛合金部件安装在熔覆工作台上(对于平板型部件，需要加装防变形钢板)，利用半导体-光纤耦合输出激光器或CO₂激光器产生的激光束熔覆预敷层，形成具有冶金结合的熔覆层。为防止碳粉与合金粉末在熔覆过程中被氧化，激光熔覆时需在熔覆区域加氩气保护。

激光熔覆工艺为已有成熟技术，制备熔覆层的设备主要由激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时激光头固定不动，利用数控设备驱动钛合金部件作匀速直线、步进或旋转运动，从而实现对预敷层的搭接熔覆。

激光熔覆预敷层后所得熔覆层的平均厚度为400-600μm。重复步骤(3)-(5)1-5次，可得到平均厚度为800-3600μm的熔覆层。

本发明的优点为：利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在钛合金部件表面形成以TiC_x为增强相、以Ti-Zr-Ni-Cu合金为粘结相的陶瓷颗粒增强金属基耐磨熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合,熔覆层与基体结合界面Ti含量无突变，熔覆层与基体界面结合强度与韧性高，熔覆层表面硬度可达1100-1600HV。本发明的方法具有制备成本较低、熔覆层耐磨耐寿命长、工艺较简单等优点，可显著延长钛合金的耐磨寿命。

附图说明

图1为熔覆层与基体结合界面扫描电镜照片。其中，界面结合区域1，熔覆层2。

图2为熔覆层断面扫描电镜照片，图中黑色颗粒为反应合成的TiC_x。

图3为熔覆层断面显微硬度曲线图。

图4为防变形钢板结构断面图，钛合金板3，螺杆4，钢垫圈5，防变形钢板本体6。

具体实施方式

实施例：在TC4钛合金板表面制备熔覆层

1、配制粉末原料

粉末原料的重量百分数范围如下：

石墨C粉(粒度-200+325目,纯度≥99.5％)：4wt.％；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末的成分为：Ni:10wt.％；Zr：10wt.％；Cu:8wt.％；Ti：余量。

2、制备混合粉末

(1)按步骤1所述的各种粉末比例，称取所需的各种粉末；

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为130℃，干燥时间为3小时；

(3)利用HS锥形混料机混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3小时；

(4)将均匀混和后的混合粉末装入塑料袋密封储存。

3、制备熔覆层

在尺寸为300×300×8mm³的钛合金板上制备平均厚度约为1500μm的熔覆层。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用酸洗方法对TC4钛合金板表面进行去氧化层处理。

(2)配置预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，搅拌后形成预敷层浆料，各组分比例为：PVB胶：3wt.％；高纯酒精(纯度99.5％):30wt.％；混合粉末：余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于玻璃容器内，用玻璃棒手工搅拌10分钟，形成预敷层浆料。

(3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于TC4钛合金板表面，预敷层厚度约为1000μm。

(4)将具有预敷层TC4钛合金板置于高温炉中干燥，干燥温度150℃，干燥时间为30分钟。

(5)将干燥后的TC4钛合金板安装在防变形钢板上，防变形钢板结构断面如图4所示。

(6)将装有TC4钛合金板的防变形钢板置于熔覆工作台上，利用半导体-光纤耦合输出激光器在TC4钛合金板的表面制备面积为280×280mm²的耐磨熔覆层。

制备熔覆层的设备主要由最大输出功率为1800W的半导体-光纤耦合输出激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时激光头固定不动，利用数控设备驱动熔覆工作台作匀速直线及步进运动，从而实现对预敷层的搭接熔覆。为防止碳粉与合金粉末在熔覆过程中被氧化，激光熔覆时在熔覆区域加氩气保护。

熔覆时激光器输出功率为1600W，激光头与钛合金板相对运动速度为5mm/s，熔覆预敷层后所得熔覆层的平均厚度为500μm。

重复步骤(3)-(6)2次，得到平均厚度为1500μm的熔覆层。

Claims

1.一种在钛合金部件表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层，其特征在于，制备该复合熔覆层粉末的各组份重量百分含量如下：

石墨C粉：2-10％，粒度-200+325目,纯度≥99.5％,其中,-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范围；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉：余量，粒度-140+325目；其中Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末的成分为：Ni:5-15％；Zr：5-15％；Cu:5-10％；Ti：余量。

2.一种权利要求1所述的陶瓷-金属复合熔覆层的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：

制备混合粉末

1)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即：石墨C粉：3-10％；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉：余量；

2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120-150℃，干燥时间为2-4小时；

3)利用混料机进行混料,混料时间2-4小时；

4)将均匀混和后的混合粉末装入塑料桶密封储存。

制备熔覆层

用于在厚度≥4mm的钛合金部件表面制备熔覆层，钛合金部件包括平板类、圆管类外表面、叶片类；步骤如下：

(1)利用酸洗方法对钛合金部件的待熔覆表面进行去氧化层处理；

(2)配置预敷层浆料：在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，搅拌后形成预敷层浆料，各组分比例为：PVB胶：3-5wt.％；高纯酒精:28-40wt.％；混合粉末：余量；将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于玻璃容器内，用玻璃棒手工搅拌8-20分钟，形成预敷层浆料；

(3)用毛刷将步骤(2)中浆料涂覆于钛合金部件表面，预敷层厚度为800-1200μm；

(4)将具有预敷层钛合金部件在高温炉中干燥，干燥温度130-200℃，干燥时间为20-50分钟；

(5)将干燥后的钛合金部件安装在熔覆工作台上，利用半导体-光纤耦合输出激光器或CO₂激光器产生的激光束熔覆预敷层，形成具有冶金结合的熔覆层，激光熔覆时需在熔覆区域加氩气保护。