CN105904167A - 两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法。本发明涉及两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法。本发明目的是为了解决现有钛合金表面高硬耐磨涂层制备工艺复杂，成本高，涂层与基体结合差，涂层厚度有限、环境污染以及目前钨极氩弧熔覆制备钛合金表面高硬耐磨涂层工艺中存在的涂层原始粉末材料难以有效均匀预置；原位自生反应不能充分进行，金相组织不均匀；硬质相含量不高，表面硬度改善有限；耐磨涂层硬度难以控制的问题。方法：一、混粉；二、热压烧结；三、切割薄片；四、熔覆。本发明用于钛合金表面熔覆可控耐磨涂层。

Description

两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有轻质、高强、耐腐蚀、无磁等诸多突出优点，在航空、航天、航海、汽车、化工、生物医学等领域具有广泛的应用。然而，钛及钛合金硬度较低、耐磨性不足在耐磨构件上目前常采用耐磨钢材料，其重量大不利于轻量化设计。通过在钛合金中引入陶瓷相制备钛基复合材料可以有效提高其硬度与耐磨性，然而却大幅降低其塑性与韧性，不利于推广应用。在钛合金表面制备硬化耐磨层是提高其硬度与耐磨性，并保持其整体韧性的有效途径。然而目前常用的几种工艺制备耐磨涂层存在以下问题：1)采用激光熔覆方式制备钛合金表面耐磨涂层加热与冷却速度极快，常在涂层表面产生裂纹，同时设备昂贵，制备环境要求高，工艺复杂；2)等离子技术熔覆效率高，但噪音大，紫外线强会产生臭氧污染；3)热喷涂技术获得涂层不致密，并且与基体结合强度低，且涂层厚度较薄，使得涂层容易开裂剥离；4)物理化学气相沉积技术所获得的涂层厚度小，难以满足使用条件。
钨极氩弧熔覆技术，是在氩气保护下采用钨极作为电极将涂层原始材料在基体表面熔化并快速凝固制备涂层的技术。与传统激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂等技术相比，具有以下优势：(1)电极不熔化，电弧长度稳定，熔覆过程平稳；(2)涂层与基体实现冶金结合，结合强度高；(3)设计不同的硬化相含量可实现涂层硬度可控；(4)操作简单，环境要求低；(5)设计不同的熔覆层数可实现涂层厚度可控。因此，钨极氩弧熔覆技术在钛合金表面改性方面应用价值极高，并且适合推广到工业生产。
然而，对于钨极氩弧熔覆制备钛合金表面耐磨涂层的研究与应用很少，如果直接采用粉末原料则会在氩气流动的作用下吹散到空气中从而不能有效附着在基体表面；由于加热与冷却速度极快，保温时间极短，所以原位自生反应不能充分进行得到的硬化相含量有限并且组织不均匀；硬化效果有限；所以存在以下不足：(1)涂层原始粉末材料难以有效均匀预置；(2)原位自生反应不能充分进行，金相组织不均匀；(3)硬化相含量不高，表面硬度改善有限；(4)耐磨涂层硬度与厚度难以控制。
发明内容
本发明是为了解决现有钛合金表面高硬耐磨涂层制备工艺复杂，成本高，涂层与基体结合差，涂层厚度有限、环境污染以及目前钨极氩弧熔覆制备钛合金表面高硬耐磨涂层工艺中存在的涂层原始粉末材料难以有效均匀预置；原位自生反应不能充分进行，金相组织不均匀；硬质相含量不高，表面硬度改善有限；耐磨涂层硬度难以控制的问题，而提供一种两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法。
本发明的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法按以下步骤进行：
一、混粉：按质量百分比将10％～30％的TiB2粉和70％～90％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉，混粉时间为4h～8h，得到混好的复合粉末；
二、热压烧结：将混好的复合粉末装入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将烧结温度从室温以10℃/min的升温速率升温至1200℃～1250℃，真空热压烧结炉中的压力为20MPa～30MPa，保温时间为45min～60min，热压烧结后随炉冷却至室温，得到原位自生的高硬质相含量复合材料；
三、切割薄片：将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为0.5mm～2.5mm的薄片，并用砂纸打磨去掉表面杂质；得到表面光滑的薄片；
四、熔覆：将表面光滑的薄片平铺在TC4钛合金表面，然后在氩气保护的条件下置于钨极氩弧焊机下进行熔覆，熔覆电流为90A～160A，熔覆速度为10cm/min～20cm/min，得到覆有耐磨涂层的TC4钛合金。
本发明的有益效果：
采用本发明制备的覆有耐磨涂层的TC4钛合金与基体进行连接，由质量分数11.7％的TiB2与88.3％的TC4原位反应后使得增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到20％，该涂层显微硬度最高可达590HV0.2，洛氏硬度可达HRC47，而TC4钛合金的硬度仅为350HV0.2，HRC31，说明钛合金表面硬度得以有效提升；并且还可以通过控制硬质相的含量进一步提升涂层硬度，当增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到30％时，该涂层显微硬度可达HRC53；当增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到50％时，该涂层显微硬度可达HRC61。同时钨极氩弧熔覆可在大气环境中进行，工艺简单，可提高效率降低成本。
附图说明
图1为实施例一步骤二得到的原位自生的高硬质相含量复合材料的扫描电镜图；
图2为实施例一得到的覆有耐磨涂层的TC4钛合金的扫描电镜图；
图3为将实施例一得到的覆有耐磨涂层的TC4钛合金与基体连接后的外观形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法按以下步骤进行：
一、混粉：按质量百分比将10％～30％的TiB2粉和70％～90％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉，混粉时间为4h～8h，得到混好的复合粉末；
二、热压烧结：将混好的复合粉末装入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将烧结温度从室温以10℃/min的升温速率升温至1200℃～1250℃，真空热压烧结炉中的压力为20MPa～30MPa，保温时间为45min～60min，热压烧结后随炉冷却至室温，得到原位自生的高硬质相含量复合材料；
三、切割薄片：将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为0.5mm～2.5mm的薄片，并用砂纸打磨去掉表面杂质；得到表面光滑的薄片；
四、熔覆：将表面光滑的薄片平铺在TC4钛合金表面，然后在氩气保护的条件下置于钨极氩弧焊机下进行熔覆，熔覆电流为90A～160A，熔覆速度为10cm/min～20cm/min，得到覆有耐磨涂层的TC4钛合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按质量百分比将11.7％的TiB2粉和88.3％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述TiB2粉的粒度为2μm～5μm。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述TC4钛合金粉的粒度为180μm～300μm。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述球磨的球料比为5:1，所述行星球磨机的转速为180r/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述真空热压烧结炉中的压力为22MPa。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为1mm的薄片。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为2mm的薄片。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中熔覆电流为120A。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中所述熔覆速度为15cm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法按以下步骤进行：
一、混粉：按质量百分比将11.7％TiB2粉和88.3％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉，混粉时间为5h，得到混好的复合粉末；
二、热压烧结：将混好的复合粉末装入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将烧结温度从室温以10℃/min的升温速率升温至1200℃～1250℃，真空热压烧结炉中的压力为22MPa，保温时间为45min～60min，热压烧结后自然冷却至室温，得到原位自生的高硬质相含量复合材料；
三、切割薄片：将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为1mm的薄片，并用砂纸打磨去掉表面杂质；得到表面光滑的薄片；
四、熔覆：将表面光滑的薄片平铺在TC4钛合金表面，然后在氩气保护的条件下置于钨极氩弧焊机下进行熔覆，熔覆电流为90A～160A，熔覆速度为10cm/min～20cm/min，得到覆有耐磨涂层的TC4钛合金。
图1为实施例一步骤二得到的原位自生的高硬质相含量复合材料的扫描电镜图；图2为实施例一得到的覆有耐磨涂层的TC4钛合金的扫描电镜图；图3为将实施例一得到的覆有耐磨涂层的TC4钛合金与基体连接后的外观形貌图。本实施例首先采用粉末冶金制备陶瓷含量高且可控的钛基复合材料；然后将钛基复合材料加工成不同厚度的薄板置于待改性的钛合金表面，并采用钨极氩弧熔覆技术在钛合金表面将钛基复合材料薄板熔覆制备可控钛基复合材料耐磨涂层。如图1所示，在热压烧结过程中部分固态TiB2粉末与钛合金固体粉末发生一级原位自生形成TiB硬质相；由于陶瓷含量高，生成的TiB硬质相阻碍剩下的TiB2粉末与Ti基体接触从而不能发生反应，以TiB2形式保留下来。然后在熔覆过程中，加热温度高，复合材料中钛合金基体熔化，此未发生一级反应的TiB2会与液体Ti发生固液二级原位自生反应得到另外一种形态的TiB硬质相，此时一级原位自生TiB晶须受热继续长大。TiB2与Ti经两级次原位自生反应完全得到高体积分数的两级TiB硬质相增强复合材料涂层，如图2所示；避免了原位反应不充分导致的组织不均匀，硬质相含量有限的缺点。
将实施例一得到的覆有耐磨涂层的TC4钛合金与基体连接后，如图3所示，基体融化量少与涂层材料液液混合凝固以后形成牢固的冶金结合，无气孔裂纹等缺陷；由质量分数11.7％的TiB2与88.3％的TC4原位反应后使得增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到20％，该涂层显微硬度最高可达590HV0.2，洛氏硬度可达HRC47，而TC4钛合金的硬度仅为350HV0.2，HRC31，说明钛合金表面硬度得以有效提升。
并且还可以通过控制硬质相的含量进一步提升涂层硬度，当采用质量分数17.6％的TiB2与82.4％的TC4原位反应使得增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到30％时，硬度可达HRC53；当采用质量分数29.4％的TiB2与70.6％的TC4原位反应使得增强复合材料涂层中TiB硬质相的体积分数达到50％时，硬度可达HRC61。同时钨极氩弧熔覆可在大气环境中进行，工艺简单，可提高效率降低成本。

Claims (10)

1.两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法按以下步骤进行：
一、混粉：按质量百分比将10％～30％的TiB2粉和70％～90％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉，混粉时间为4h～8h，得到混好的复合粉末；
二、热压烧结：将混好的复合粉末装入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将烧结温度从室温以10℃/min的升温速率升温至1200℃～1250℃，真空热压烧结炉中的压力为20MPa～30MPa，保温时间为45min～60min，热压烧结后随炉冷却至室温，得到原位自生的高硬质相含量复合材料；
三、切割薄片：将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为0.5mm～2.5mm的薄片，并用砂纸打磨去掉表面杂质；得到表面光滑的薄片；
四、熔覆：将表面光滑的薄片平铺在TC4钛合金表面，然后在氩气保护的条件下置于钨极氩弧焊机下进行熔覆，熔覆电流为90A～160A，熔覆速度为10cm/min～20cm/min，得到覆有耐磨涂层的TC4钛合金。
2.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤一中按质量百分比将11.7％的TiB2粉和88.3％的TC4钛合金粉在氩气保护氛围下用行星球磨机进行球磨混粉。
3.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤一中所述TiB2粉的粒度为2μm～5μm。
4.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤一中所述TC4钛合金粉的粒度为180μm～300μm。
5.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤一中所述球磨的球料比为5:1，所述行星球磨机的转速为180r/min。
6.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤二中所述真空热压烧结炉中的压力为22MPa。
7.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤三中将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为1mm的薄片。
8.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤三中将原位自生的高硬质相含量复合材料采用线切割机切割成厚为2mm的薄片。
9.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤四中熔覆电流为120A 。
10.根据权利要求1所述的两级原位自生钛合金表面可控耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤四中所述熔覆速度为15cm/min。
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