CN104480464A

CN104480464A - 一种在钛合金表面激光熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法

Info

Publication number: CN104480464A
Application number: CN201410821962.3A
Authority: CN
Inventors: 张晖; 李明喜
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明公开了一种在Ti合金表面激光多层熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法，属于材料表面强化技术领域。本发明具体步骤是：在纯Ti或Ti合金表面自下而上激光依次熔覆单相α-Ti打底层→亚共晶Ti-Si中间层→过共晶Ti-Si表面层三种不同成分涂层，三层中Si元素添加摩尔分数分别为0～5％、5～13.7％和13.7～35％。通过梯度涂层中Si含量的逐渐增加使涂层形成Ti₅Si₃硬质相析出含量的梯度，降低表面层过共晶Ti-Si成分与Ti金属基体之间的热物理相容性和组织应力，从而达到降低涂层开裂倾向，提高梯度涂层整体韧性和与基体结合力的效果。本发明整个梯度涂层均具有良好的韧性、无裂纹和气孔等缺陷。

Description

一种在钛合金表面激光熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法

技术领域

本发明属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种利用激光多层熔覆技术在钛合金表面制备Ti-Si梯度耐磨涂层，改善涂层与基体之间的结合性，提高Ti合金表面硬度和耐磨性的方法。

背景技术

钛合金具有弹性模量小、无毒、优良的生物相容性、密度小、高强度、高耐蚀性及极佳的表面质感等优点，使其广泛应用在航天、武器装备及生物医用领域。但钛金属存在磨损性差、高温稳定性差等不足，严重影响了其使用性能和寿命。目前，提高Ti金属耐磨性的主要方法是进行表面改性，例如中国专利公开号CN103147111A提出了一种纯Ti表面微弧氧化涂层技术，中国专利公开号CN10267698A提出了一种Ti合金表面制备氮化钛涂层的方法。

近年来研究发现Ti-Si二元合金中随着Si含量的增多，组织中将逐渐析出Ti₅Si₃硬质相，从而可以显著提高Ti合金表面耐磨性能，且Ti₅Si₃相具有Ti合金较低密度的性能优点。基于此，2014年中国专利申请号20140251250.2提出了一种Ti金属表面激光熔覆Ti-Si过共晶合金涂层的方法，该专利在Ti金属表面激光熔覆含20～30％Si元素的Ti-Si过共晶合金涂层，由于合金凝固过程中大量析出领先相Ti₅Si₃的硬化作用，可提高Ti金属表面耐磨性2.4倍。但是，高硬度的Ti₅Si₃相脆性较高，且Ti-Si过共晶成分涂层与Ti基体成分相差较大，Ti₅Si₃金属间化合物的大量形成极易造成过共晶Ti-Si涂层与Ti基体界面产生较大的热应力和组织应力，从而使涂层凝固后界面易形成裂纹，使用性能下降。因此，生产上急需找到一种降低高硬度Ti-Si过共晶涂层与Ti金属基体界面脆性和裂纹形成倾向的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种在Ti合金表面激光多层熔覆制备Ti-Si梯度耐磨涂层的方法，以期降低表层高硬度过共晶Ti-Si涂层与Ti基体的热物理相斥性，避免Ti-Si合金涂层与基体黏着性差、易开裂的倾向。

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明一种在钛合金表面激光多层熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

首先在Ti合金基体表面熔覆单相α-Ti合金涂层，作为打底层，Si元素添加摩尔分数0～5％；然后，在打底层表面熔覆亚共晶成分Ti-Si合金涂层，作为中间过渡层，Si元素添加摩尔分数5～13.7％；最后，在中间层表面进一步熔覆高硬度的过共晶成分Ti-Si合金涂层，作为表面层，Si元素添加摩尔分数13.7～35％。

本发明的原理及效果：

根据图1所示Ti-Si二元相图，Ti-Si合金在1330℃存在共晶反应，亚共晶、共晶和过共晶成分点Si的摩尔百分含量分别为5％，13.7％和35％，为了使梯度涂层仍具有较高的硬度和耐磨性，本发明制备的梯度涂层表层成分设计为添加13.7～35％Si的高硬度Ti-Si过共晶成分。同时，将打底层设计为Si含量小于5％的α-Ti单相成分，激光快速冷却可使打底层凝固后保持α-Ti单相结构，从而使打底层具有良好的韧性及与基体的结合性能。在中间层采用添加5～13.7％Si的亚共晶成分，顶层采用添加13.7～35％Si的过共晶成分，通过Si含量的逐渐增加使涂层形成Ti₅Si₃硬质相析出含量的梯度，降低表面层过共晶Ti-Si成分与Ti金属基体之间的热物理相容性和组织应力，从而达到降低涂层开裂倾向，提高梯度涂层整体韧性和与基体结合力的效果。

附图说明

图1是Ti-Si二元合金相图。

图2是Ti-Si梯度涂层的横截面宏观形貌图。

图3是Ti合金基体与Ti-4％Si打底层界面处扫描电镜组织图。

图4是Ti-4％Si打底层与Ti-10％Si中间层界面处扫描电镜组织图。

图5是Ti-10％Si中间层与Ti-30％Si表面层界面处扫描电镜组织图。

图6是激光熔覆单层Ti-30％Si涂层与基体界面处形成裂纹的生长形貌图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

首先，根据摩尔比配置Ti-4％Si、Ti-10％Si和Ti-30％Si三种成分合金粉末，将配置好的合金粉末分别置于球磨机内均匀混合2小时后烘干。

其次，将牌号为TC21的Ti合金表面去污、除锈，TC21钛合金基体成分重量百分比为Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb；而后，利用CO₂横流激光器以同步式送粉方式将配置好的Ti-4％Si粉末激光熔覆到Ti合金表面，熔覆后打底层厚度1mm，激光工艺参数为：激光功率1.5kW，扫描速度600mm/min。

再次，将配置好的Ti-10％Si中间层粉末激光熔覆到已熔覆好的打底层Ti-4％Si合金涂层表面，熔覆后中间层厚度0.5mm，激光工艺参数为：激光功率2kW，扫描速度400mm/min。

最后，将配置好的Ti-30％Si表面层粉末激光熔覆到已熔覆好的Ti-10％Si中间层表面，熔覆后表面层厚度1mm，激光工艺参数为：激光功率2.5kW，扫描速度200mm/min。

图2为本实施例Ti-Si梯度涂层横截面宏观形貌，可以看出所制备的梯度涂层中层与层界面连续，未见明显的气孔和裂纹。图3是Ti-4％Si打底层与Ti基体界面扫描电镜组织形貌，打底层组织中未见明显Ti₅Si₃等第二相的析出，且与Ti基体连接良好，无孔隙和裂纹。图4为Ti-4％Si打底层和Ti-10％Si中间层界面，图5为Ti-10％Si中间层与Ti-30％Si表面层界面组织形貌，可以看出中间层组织为α-Ti初生相和晶界处网状分布的α-Ti+Ti₅Si₃共晶，表面层则含有大量的领先相块状的Ti₅Si₃，从打底层到表面层不仅成分成梯度分布，而且Ti₅Si₃析出相含量也呈梯度分布。整个涂层的层与层过渡良好，未见明显裂纹和气孔。显微硬度测试结果表明表面层硬度达到814HV_0.5，是TC21钛合金基体硬度(362HV_0.5)的2.25倍。

图6作为对比试样，直接在TC21钛合金表面激光熔覆过共晶成分Ti-30Si合金涂层界面处显微组织照片，涂层与基体的界面形成了大量沿激光热输入放向生长的柱状Ti₅Si₃组织，由于Ti₅Si₃相较脆且与Ti合金基体热物理相容性较差，造成界面处热应力和组织应力较大，涂层中出现大量裂纹。对比研究结果显示，与直接熔覆单层过共晶成分Ti-30％Si涂层相比，本发明制备的Ti-Si梯度涂层可有效避免涂层界面处裂纹大量形成的倾向，与Ti合金基体结合良好，性能优良。

Claims

1.一种在钛合金表面激光多层熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：首先在Ti合金基体表面熔覆单相α-Ti合金涂层，作为打底层，Si元素添加摩尔分数0～5％；然后，在打底层表面熔覆亚共晶成分Ti-Si合金涂层，作为中间过渡层，Si元素添加摩尔分数5～13.7％；最后，在中间层表面进一步熔覆高硬度的过共晶成分Ti-Si合金涂层，作为表面层，Si元素添加摩尔分数13.7～35％。