CN105401114B - 一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法 - Google Patents

一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，该方法包括等离子喷涂工序和激光重熔工序，所述等离子喷涂工序为：将预先配比好的多主元合金粉末喷涂在钛合金零件的表面，并在喷涂过程中进行氩气保护，从而在所述钛合金零件表面形成等离子喷涂层，所述多主元合金粉末由以下相应摩尔百分比的成分构成：12～20％的V，12～20％的Cr，12～20％的Al，12～20％的Si，12～20％的Cu，1～10％的Ti，10‑18％的Mo；所述激光重熔工序为：采用激光器对所述等离子喷涂层进行重熔处理，并在重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，从而在所述钛合金零件的表面形成致密、结合强度高的涂层。本发明所制得的钛合金表面涂层能够同时提高钛合金的耐磨、抗氧化、阻燃等性能。

Description

一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，属于材料表面处理和强化技术领域。
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，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材料整体性能的体现，主要与表面性能相关，用表面改性技术来解决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被应用于钛合金表面改性。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，需要发展具有更高性能的涂层材料及制备技术。
发明内容
本发明目的是：针对上述技术问题，提供一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，所制得的表面涂层与钛合金基体相结合，能够同时提高钛合金的耐磨、抗氧化、阻燃等性能。
本发明的技术方案是：一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于该方法包括等离子喷涂工序和激光重熔工序，
所述等离子喷涂工序为：将预先配比好的多主元合金粉末喷涂在钛合金零件的表面，并在喷涂过程中进行氩气保护，从而在所述钛合金零件表面形成等离子喷涂层，所述多主元合金粉末由以下相应摩尔百分比的成分构成：12～20％的V，12～20％的Cr，12～20％的Al，12～20％的Si，12～20％的Cu，1～10％的Ti，10-18％的Mo；
所述激光重熔工序为：采用激光器对所述等离子喷涂层进行重熔处理，并在重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，从而在所述钛合金零件的表面形成致密、结合强度高的涂层。
本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
该方法还包括清洗与喷砂工序，且该清洗与喷砂工序在所述等离子喷涂工序之前进行，所述清洗与喷砂工序为：对所述钛合金零件用丙酮进行清洗，并在清洗完成后，对所述钛合金零件进行喷砂粗化处理。
在所述等离子喷涂工序中，所形成的等离子喷涂层的厚度为0.3～0.6mm。
在所述激光重熔工序中，所述的激光器是最大功率为5kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器。
在所述激光重熔工序中，采用氩气进行冷却和保护时，所述氩气的流量为2.0L/min。
在所述激光重熔工序中，调节激光功率范围为650-850w，扫描速率为3-5mm/s，光斑直径为3-4.5mm，搭接率为30％。
本发明的优点是：本发明采用等离子喷涂+激光表面重熔的方法在钛合金的表面形成耐磨阻燃抗氧化的合金化层，涂层材料是由多种合金元素配制形成的多主元合金，其具有高熵效应，缓慢扩散效应，纳米相强化及超高晶格畸变等特点，有利于保持合金的高韧性，并可以赋予钛合金材料高的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等多种优异性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1：
本实施例这种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法包括以下工序：
1)清洗与喷砂工序：
对TC4钛合金零件用丙酮进行清洗；为了提高多主元合金涂层和钛合金基体的结合强度，在清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2)等离子喷涂工序：
用等离子喷涂设备将预先配比好的多主元合金粉末喷涂在钛合金零件表面，并在喷涂过程中进行氩气保护，从而在所述钛合金零件表面形成等离子喷涂层，本例中该等离子喷涂层的厚度为0.3mm，即喷涂厚度为0.3mm。所述多主元合金粉末由以下相应摩尔百分比的成分构成：12％的V，18％的Cr，17％的Al，19％的Si，16％的Cu，1％的Ti，17％的Mo。
3)激光重熔工序(为了提高涂层与基体的结合强度，在等离子喷涂涂层的基础上再进行激光重熔)：
采用最大功率为5kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对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，氩气流量为2.0L/min，调节激光功率为650w，扫描速率为5mm/s，光斑直径为4.5mm，搭接率为30％，经激光重熔加工后，便在钛合金零件的表面形成致密、结合强度高的涂层，即本发明所说的“多主元合金涂层”。
经实验测试，本实施例采用的钛合金和制备的涂层，与GCr15对摩1小时，涂层的相对耐磨性是TC4钛合金基体的3.6倍。800℃空气中氧化50小时，涂层的氧化增重是钛合金基体的0.33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，而滴涂层试样表面，直到液滴烧烬，所有参与试验的试样均没有燃烧。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：
本实施例这种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法包括以下工序：
1)清洗与喷砂工序：
对TA15钛合金零件用丙酮进行清洗；在清洗完成后，进行喷砂粗化处理。
2)等离子喷涂工序：
用等离子喷涂设备将预先配比好的多主元合金粉末喷涂在钛合金零件表面，并在喷涂过程中进行氩气保护，从而在所述钛合金零件表面形成等离子喷涂层，本例中该等离子喷涂层的厚度为0.5mm，即喷涂厚度为0.5mm(一般以0.3～0.6mm厚度为佳)。所述多主元合金粉末由以下相应摩尔百分比的成分构成：19％的V，15％的Cr，19％的Al，13％的Si，16％的Cu，4％的Ti，14％的Mo。
3)激光重熔工序：
采用最大功率为5kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器对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，流量为2.0L/min，调节激光功率为850w，扫描速率为3mm/s，光斑直径为3.5mm，搭接率为30％，经激光重熔加工后，便在钛合金零件的表面形成致密、结合强度高的涂层，即本发明所说的“多主元合金涂层”。
经实验测试，本实施例采用的钛合金和制备的涂层，与GCr15对摩1小时，涂层的相对耐磨性是TA15钛合金基体的3.9倍。800℃空气中氧化50小时，涂层的氧化增重是钛合金基体的0.31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，而滴涂层试样表面，直到液滴烧烬，所有参与试验的试样均没有燃烧。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。
在上述两实施例中，“清洗与喷砂工序”是为了对钛合金基体进行表面处理，以提高多主元合金涂层和钛合金基体间的结合强度。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于：该方法包括等离子喷涂工序和激光重熔工序，
所述等离子喷涂工序为：将预先配比好的多主元合金粉末喷涂在钛合金零件的表面，并在喷涂过程中进行氩气保护，从而在所述钛合金零件表面形成等离子喷涂层，所述多主元合金粉末由以下相应摩尔百分比的成分构成：12～20％的V，12～20％的Cr，12～20％的Al，12～20％的Si，12～20％的Cu，1～10％的Ti，10-18％的Mo；
所述激光重熔工序为：采用激光器对所述等离子喷涂层进行重熔处理，并在重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，从而在所述钛合金零件的表面形成致密、结合强度高的涂层。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于该方法还包括清洗与喷砂工序，且该清洗与喷砂工序在所述等离子喷涂工序之前进行，所述清洗与喷砂工序为：对所述钛合金零件用丙酮进行清洗，并在清洗完成后，对所述钛合金零件进行喷砂粗化处理。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于：在所述等离子喷涂工序中，所形成的等离子喷涂层的厚度为0.3～0.6mm。
4.根据权利要求1或2所述的钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于：在所述激光重熔工序中，所述的激光器是最大功率为5kW的TJ-HL-T5000型CO2激光器。
5.根据权利要求1或2所述的钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于：在所述激光重熔工序中，采用氩气进行冷却和保护时，所述氩气的流量为2.0L/min。
6.根据权利要求1或2所述的钛合金表面制备多主元合金涂层的方法，其特征在于：在所述激光重熔工序中，调节激光功率范围为650-850w，扫描速率为3-5mm/s，光斑直径为3-4.5mm，搭接率为30％。
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