CN105331871B - Al‑Co‑Cr‑Cu‑Nb‑Si‑Ti‑V多主元合金及其对钛合金表面处理的方法 - Google Patents

Al‑Co‑Cr‑Cu‑Nb‑Si‑Ti‑V多主元合金及其对钛合金表面处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开Al‑Co‑Cr‑Cu‑Nb‑Si‑Ti‑V多主元合金及其对钛合金表面处理的方法；所述合金以摩尔份数计，包括如下组分：12~20份V、12~20份Cr、12~20份Al、12~20份Si、12~20份Cu、1~10份Ti、10‑18份Co和10‑18份Nb；所述方法将钛合金基材进行清洗并喷砂粗化处理，用等离子喷涂设备将多主元合金粉末喷涂在钛合金基材表面，最后用CO2激光器对等离子喷涂表面进行重熔处理。本发明制备的多主元合金涂层利用了多主元合金的高熵效应、缓慢扩散效应、纳米相强化、超高晶格畸变和“鸡尾酒效应”等特点，显著提高钛合金的耐磨性和抗高温氧化性，并防止钛火。

Description

Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金及其对钛合金表面处理 的方法
技术领域
本发明属于材料表面处理和强化技术领域，具体涉及Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金及其对钛合金表面处理的方法。
背景技术
钛及钛合金具有比重低、比强度高、屈强比高、抗腐蚀性能强和在高温条件下力学性能良好等优点，在许多领域中有逐渐增多的应用。但由于钛合金存在摩擦系数高并且波动较大、耐磨性不好、达到一定温度后抗氧化性能低、容易被点燃并且火焰有自发蔓延的倾向等问题，这些问题使其更广泛的应用受到了限制。由于钛合金的这些问题大多数不是由材料整体性能所导致的，而主要与表面性能相关，所以用表面改性技术来解决这些问题是一个比较理想的选择。
表面改性技术在提高表面性能的同时，保持了钛合金整体力学性能以及比重低、比强度高等优点。微弧氧化、等离子喷涂、超音速喷涂、离子注入、电子束沉积、激光氮化、双层辉光离子渗等技术都可被应用于钛合金表面改性；然而虽然这些技术在改善钛合金的摩擦磨损、高温氧化、阻燃等性能方面取得了一定效果，但是这些表面技术也都有各自的局限性，普遍存在着或涂覆层薄，或抗冲击性能差，或与基体结合弱，或显著降低基体疲劳性能等缺点，不能满足当前的需求，因此需要发展具有更高性能的涂层材料及制备技术。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金及其对钛合金表面处理的方法，使该表面涂层与钛合金基体冶金结合，能同时提高钛合金的耐磨性和抗高温氧化性，并能防止钛火。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金，以摩尔份数计，包括如下组分：12~20份V、12~20份Cr、12~20份Al、12~20份Si、12~20份Cu、1~10份Ti、10-18份Co和10-18份Nb。
上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）将钛合金基材用丙酮或无水乙醇进行清洗，并进行喷砂粗化处理；
2）按照上述配方配制多主元合金粉末，用等离子喷涂设备将配好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的钛合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-100~+500目；喷涂过程中进行氩气保护，喷涂厚度为0.3~0.6 mm；
3）使用最大功率≥1000W的CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，在钛合金表面制得所述多主元合金涂层；其中，控制流量为1.5-2.5 L/min，调节激光功率范围为600-900 W，扫描速率为3-5 mm/s，光斑直径为3-4.5 mm。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备的多主元合金涂层利用了多主元合金的高熵效应、缓慢扩散效应、纳米相强化、超高晶格畸变和“鸡尾酒效应”等特点，通过各元素的协同配伍作用，使钛合金表面的耐磨和抗高温氧化性能显著提高，能够防止钛火；通过实验验证，覆有该涂层的钛合金相对耐磨性是钛合金基体的3.1~4.0倍，氧化增重是钛合金基体的0.29~0.34倍，在阻燃试验中也并没有燃烧现象发生，产生了意想不到的技术效果。
2、本发明在钛合金表面采用喷涂-激光重熔方法制备多主元合金涂层，结合采用重熔处理，利用热源将合金中最易熔化的成分熔化，产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透，熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织，孔隙减少甚至消失，改善了涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量，促进不同元素的均匀熔合，发挥出设计成分应有的协同配伍效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。下述实施例中使用的化学药品如无特殊说明，即为普通市售产品。
实施例1
一、Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金，以摩尔份数计，包括如下成分：12份V，13份Cr，15份Al，14份Si，19份Cu，1份Ti，15份Co，11份Nb。
二、上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）对TC4钛合金基材用丙酮进行清洗；清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2）用等离子喷涂设备将配比好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的钛合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200~+350目；喷涂过程中进行氩气保护，厚度0.3 mm。
3）采用最大功率为5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高的多主元合金涂层；其中，控制流量为2.0 L/min，调节激光功率为680W，扫描速率为5 mm/s，光斑直径为4.5 mm，搭接率为30%。
将本实施例制得的具有多主元合金涂层的钛合金和TC4钛合金基体，在空气中与GCr15对摩1小时，结果显示带有涂层的钛合金相对耐磨性是TC4钛合金基体的3.1倍。在800℃空气中对带有涂层和不带有涂层的钛合金进行氧化50小时，结果显示带有涂层的钛合金氧化增重是钛合金基体的0.34倍。阻燃试验采用液滴法进行，将熔化并燃烧的TC4钛合金液滴滴到 TC4钛合金试样表面，试样很快与液滴一起燃烧，而将熔化并燃烧的钛合金液滴滴到涂层试样表面时，直到液滴烧烬，所有参与试验的带有涂层的钛合金试样均没有燃烧；实验表明该涂层提高了钛合金的耐磨阻燃抗高温氧化性能。
实施例2
一、Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金，以摩尔份数计，包括如下成分：16份V，15份Cr，12份Al，13份Si，14份Cu，3份Ti，13份Co，14份Nb。
二、上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，包括如下步骤：
1）对TA15钛合金基材用无水乙醇进行清洗；清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2）用等离子喷涂设备将配比好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的钛合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200~+350目；喷涂过程中进行氩气保护，厚度0.5 mm。
3）采用最大功率为5 kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高的多主元合金涂层；其中，控制流量为2.0 L/min，调节激光功率为860W，扫描速率为3 mm/s，光斑直径为3.5 mm，搭接率为30%。
将本实施例制得的具有多主元合金涂层的钛合金和TA15钛合金基体，在空气中与GCr15对摩1小时，结果显示带有涂层的钛合金相对耐磨性是TA15钛合金基体的4.0倍。在800℃空气中对带有涂层和不带有涂层的钛合金进行氧化50小时，结果显示带有涂层的钛合金氧化增重是钛合金基体的0.29倍。阻燃试验采用液滴法进行，将熔化并燃烧的TA15钛合金液滴滴到 TA15钛合金试样表面，试样很快与液滴一起燃烧，而将熔化并燃烧的钛合金液滴滴到涂层试样表面时，直到液滴烧烬，所有参与试验的带有涂层的钛合金试样均没有燃烧；实验表明该涂层提高了钛合金的耐磨阻燃抗高温氧化性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金，其特征在于，以摩尔份数计，包括如下组分：16份V、15份Cr、12份Al、13份Si、14份Cu、3份Ti、13份Co和14份Nb。
2.Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将钛合金基材用丙酮或无水乙醇进行清洗，并进行喷砂粗化处理；
2）按照以摩尔份数计，包括如下组分：12~20份V、12~20份Cr、12~20份Al、12~20份Si、12~20份Cu、1~10份Ti、10-18份Co和10-18份Nb配制多主元合金粉末，用等离子喷涂设备将配好的多主元合金粉末喷涂在步骤1）处理后的钛合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度为-200~+350目；喷涂过程中进行氩气保护，喷涂厚度为0.3~0.6 mm；
3）使用最大功率≥1000W的CO2激光器对步骤2）处理后的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，在钛合金表面制得所述多主元合金涂层；其中，控制流量为1.5-2.5 L/min，调节激光功率范围为600-900 W，扫描速率为3-5 mm/s，光斑直径为3-4.5 mm，控制搭接率为30%。
3.根据权利要求2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，以摩尔份数计，包括如下组分：16份V、15份Cr、12份Al、13份Si、14份Cu、3份Ti、13份Co和14份Nb配制多主元合金粉末。
4. 根据权利要求2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，步骤2）中所述喷涂厚度为0.5 mm。
5. 根据权利要求2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3）中调节激光功率为860 W。
6. 根据权利要求2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3）中扫描速率为3 mm/s。
7. 根据权利要求2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金对钛合金表面处理的方法，其特征在于，步骤3）中光斑直径为3.5 mm。
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