CN105483432B - 一种钛合金耐磨层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金耐磨层，由TiAl2或TiAl3的钛铝中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成，在所述的耐磨层中，铝的质量百分比为4～12％，碳化钨的质量百分比为5～15％，碳化硼的质量百分比为1～3％，余量为钛。还提供了上述的一种钛合金激光熔覆用耐磨层的制备方法，先对钛合金样品进行表面清理、打磨；然后称取钛粉、钛铝中间合金粉、碳化钨粉和碳化硼粉制备混合粉末；在样品室中，采用激光在钛合金的表面利用混合粉末进行熔覆；熔覆的过程中采用惰性气体保护，熔覆后冷却；对钛合金熔覆层进行清理、打磨。本发明具有熔覆层硬度高、耐磨性好、适用钛合金范围广、处理效率高的优点。

Description

一种钛合金耐磨层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种钛合金耐磨层及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金比强度高、耐蚀性能好,在航天航空和石油化工等工业部门广泛用作结构材料,但其缺点是硬度低、耐磨性能差,当用作滑动部件,易与对磨材料粘着,产生磨损,这就严重地限制了其应用范围。为了提高钛及钛合金的耐磨性,目前主要是采用表面强化技术，如化学热处理、高能束热处理等,在钛及钛合金表面形成氮化物、碳化物和硼化物等硬质相,从而提高其表面硬度和耐磨性。
钛及钛合金的渗氮，主要包括气体渗氮和等离子体渗氮。气体渗氮是通过在氮气或在氮气-氢气气氛中加热处理,而在钛及钛合金表面形成Ti2N及TiN等硬质相,从而提高其表面耐磨性。等离子体渗氮是利用辉光放电来实现的,在等离子体渗氮过程中,等离子状态的氮离子被电场加速,撞击工件,离子动能转变为热能,使工件温度升高,同时通过离子冲击时的溅蚀作用及扩散作用,使氮向工件表面内部扩散,达到氮化的目的。
钛及钛合金的渗硼。钛的硼化物是一种硬度高、导热性好的陶瓷材料,进行渗硼处理使钛的表面形成硼化物是改善钛的耐磨性的一种非常有效的手段。到目前为止,对于钛的渗硼处理,已有固体法、盐浴浸渍法、膏剂法、盐浴电解法等。
钛及钛合金的高能束处理。激光表面合金化是一种局部表面变质处理的新方法,主要用在制备TiN涂层、TiC涂层、Ti5Si3耐磨相上。目前已用的激光表面合金化工艺形式有三种:激光粉末涂敷合金化、激光气体合金化和激光硬质粒子喷射合金化。离子注入技术，把离子种源B、C、N向钛合金注入时，会相应产生钛的硼化物、 碳化物和氮化物的硬质沉淀相。
此外，还有气相沉积技术，通过在钛合金表面沉积TiC、 TiN、TiCN、TiB2、ZrB2等膜层，可提高基体耐磨性。表面纳米化技术，是利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米晶结构的表层，而基体仍保持原有的粗晶状态以提高材料的表面性能。
经查新，共检索到有关专利如下：
申请号为CN200410041155的专利公开了一种钛合金表面氧化钛至氮化钛梯度耐磨层的制法。其特征在于采用两步全方位离子 注入的方法使钛合金表面形成氧化钛-氮化钛梯度膜，先高靶温注入氮离子，靶温：600～700℃；然后对第一步注入的样品再高剂量注入氧离子，靶温： 室温～300℃，即得表面氧化钛-氮化钛梯度膜钛合金样品。发明制备的钛合金表面形成具有高承载能力、高硬度、 高结合强度的深层梯度膜。
申请号为CN200610113081的专利公开了一种钛合金表面制备高适配耐磨钛基复合材料的方法。该方法如下：将球形钛合金粉末颗粒和外加的TiB2、Cr3C2、TiC、或B4C 粉末颗粒混合均匀；通过送粉器和同轴送粉喷嘴将混合粉末送至高功率激光在钛合金基体表面形成的熔池内，混合粉末在熔池的高温作用下形成稳定、弥散分布的原位自生TiC或TiB等增强相。
申请号为CN03132586的专利公开了一种钛合金表面原位生长高硬度耐磨陶瓷涂层方法，它的步骤是(1)用3-10克/升的铝酸钠、1-3克/升的次磷酸盐和水制成电解液；(2)以钛合金为基体并作为正极，以不锈钢板为负极并将两者置于电解液中，控制电解液温度在10-40℃；(3)接通脉冲电源，在将电流密度调到400-800A/m2，通电反应90-240分钟。利用等离子体氧化法，在钛合金表面直接形成高硬度陶瓷涂层。
申请号为CN201310704996的专利公开了一种钛合金激光熔覆表面强化方法，将钴基自熔性合金粉末、B4C、SiC、TiN、Y2O3、CeO2粉末按质量比Co42自熔性合金粉末50%～100%，B4C 0～50%，SiC 0～50%，TiN 0～39%，Y2O3 0～1.5%，CeO2 0～1.5%混合，混合物粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；将糊状混合物粉末均匀地涂敷在钛合金表面，保持涂层厚度均匀，自然风干；对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。本发明方法能改善熔覆层的微观组织，进一步提高熔覆层的硬度及耐磨性能。
申请号为CN201310030939的专利公开了一种用于钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法，用于钛合金表面激光熔覆的材料，它是由Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合而成，其质量比为：Fe3Al粉占63%～86%，TiC-TiB2粉末占14%～37%。通过在钛合金表面激光熔覆Fe3Al和TiC-TiB2陶瓷硬质相获得硬度和耐磨性显著提高的表面强化涂层。
在以上方法中，渗氮和渗硼属于化学热处理工艺，该工艺制备的渗层厚度小，处理时间长、处理效率低。化学气相沉积成本高，该工艺制备的沉积层厚度小。激光熔覆具有处理效率高,获得的耐磨层厚度大，处理层中的陶瓷相种类和含量便于调节的优点。此外，铝元素对强化钛合金具有效果明显、价格便宜等优点。而钨元素对于增加钛合金的耐磨性具有显著效果。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种钛合金耐磨层及其制备方法，所述的这种钛合金耐磨层及其制备方法解决了现有技术中的金属耐磨层硬度和耐磨效果不佳、制备工艺复杂的技术问题。
本发明提供了一种钛合金耐磨层，由TiAl2或TiAl3的钛铝中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成，在所述的耐磨层中，铝元素的质量百分比为4～12 ％，碳化钨的质量百分比为5～15 ％，碳化硼的质量百分比为1～3 ％，余量为钛元素。
本发明还提供了上述的一种钛合金耐磨层的制备方法，包括如下步骤：
1)一个对钛合金样品进行表面清理、打磨的步骤；
2)一个制备混合粉末的步骤，称取钛粉、钛铝中间合金粉、碳化钨粉、碳化硼粉，在该混合粉末中，所述的铝元素的质量百分比为4～12 ％，碳化钨的质量百分比为5～15 ％，碳化硼的质量百分比为1～3 ％，余量为钛元素；
3)在样品室中，采用激光在钛合金的表面利用混合粉末进行熔覆；熔覆的过程中采用惰性气体保护，激光功率1～4 kW，扫描速度为10～40 mm/s，熔覆后冷却；
4)对钛合金熔覆层进行清理、打磨。
进一步的，所述的熔覆层厚度在200～1000um之间。
在熔覆层中加入碳化硼、碳化钨，利用钛在高温下与碳化硼、碳化钨之间的反应形成碳化钛、硼化钛颗粒相。利用钛铝中间合金，以及碳化钨，在熔覆层中加入了铝和钨。形成的耐磨层为含铝、钨合金元素以及颗粒状的碳化钛、纤维状的硼化钛陶瓷相的钛合金。所述的这种钛合金耐磨层具有耐磨性好，适用的钛合金基材范围广等优点。
本发明的钛合金激光熔覆用耐磨层的硬度达到HV390～HV510。本发明的耐磨钛合金的熔覆层使钛合金具有更高的表面硬度和耐磨性，具有明显的技术优势，可以更好地满足耐磨性要求。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明综合利用了铝、钨元素对钛合金基体的固溶强化以及熔覆形成的碳化钛和硼化钛陶瓷颗粒的第二相强化，从而使表面层具有更高的硬度和耐磨性。由于本发明的涂层中碳化钛和硼化钛陶瓷颗粒的含量较低，避免了以前的技术中单纯依靠增加陶瓷颗粒的技术方法。同时，本发明的方法制备效率高、成本低的特点。
附图说明
图1是本发明实施例2所得的表面层中形成的陶瓷颗粒。
图2是应用实施例2 所得的表面层形貌图。
图3是应用实施例2所得的表面层截面形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明所用材料：Ti-6Al-4V和 Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金。
激光处理设备： IPG -YLS-5000W (IPG Photonics Corporation)。
显微硬度计：HXD-1000TM/LCD。
扫描电子显微镜：FEI Quanta 450。
实施例1
本发明提供了一种钛合金激光熔覆用耐磨层及其制备方法。
进一步的，激光熔覆用耐磨层中，混合粉末由TiAl2或TiAl3的钛铝中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成，所述的激光熔覆用耐磨层中，铝元素的质量百分比为4～12 ％，碳化钨的质量百分比为5～15 ％，碳化硼的质量百分比为1～3 ％，余量为钛元素。
实施例2
40 mm×40 mm×15 mm的Ti-6Al-4V合金样品经表面清理、打磨。混合粉末由TiAl3中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成。
所述的混合粉末中，铝元素的质量百分比为4 ％，碳化钨的质量百分比为5 ％，碳化硼的质量百分比为1％，余量为钛元素。熔覆层厚度为200um。
在样品室中，采用光纤激光器在钛合金的表面利用混合粉末进行熔覆；工作时采用1.075 um波长，1 kW功率。样品室采用氩气保护, 扫描速度为10 mm/s。 熔覆后冷却，样品表面清理，打磨。
经显微硬度测试，基体合金和表面耐磨层的硬度分别为HV220，HV390，和基体合金相比，表面层硬度增加效果明显。。表面层中形成的陶瓷颗粒如图1所示，表面层形貌如图2所示，截面形貌如图3所示。
实施例3
40 mm×40 mm×15 mm的Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金经表面清理、打磨。混合粉末由由TiAl3中间合金中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成。
所述的混合粉末中，铝元素的质量百分比为12 ％，碳化钨的质量百分比为15 ％，碳化硼的质量百分比为3 ％，余量为钛元素。熔覆层厚度为1000um。
在样品室中，采用光纤激光器在钛合金的表面利用混合粉末进行熔覆；工作时采用1.075 um波长，4 kW功率。样品室采用氩气保护, 扫描速度为40 mm/s。熔覆后冷却，样品表面清理，打磨。
经显微硬度测试，基体合金和表面耐磨层的硬度分别为HV195，HV510，和基体合金相比，表面层硬度增加效果明显。

Claims (2)

1.一种钛合金耐磨层，其特征在于：由TiAl2或TiAl3的钛铝中间合金、碳化钨、碳化硼和钛粉组成，在所述的耐磨层中，铝元素的质量百分比为4～12 ％，碳化钨的质量百分比为5～15 ％，碳化硼的质量百分比为1～3 ％，余量为钛元素；
所述的一种钛合金耐磨层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）一个对钛合金样品进行表面清理、打磨的步骤；
2）一个制备混合粉末的步骤，称取钛粉、钛铝中间合金粉、碳化钨粉、碳化硼粉，在该混合粉末中，所述的铝元素的质量百分比为4～12 ％，碳化钨的质量百分比为5～15 ％，碳化硼的质量百分比为1～3％，余量为钛元素；
3）在样品室中，采用激光在钛合金的表面利用混合粉末进行熔覆；熔覆的过程中采用惰性气体保护，激光功率1～4 kW，扫描速度为10～40 mm/s，熔覆后冷却；
4）对钛合金熔覆层进行清理、打磨。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨层的制备方法，其特征在于，所述的熔覆层厚度在200～1000μm之间。
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