CN106811749A

CN106811749A - 一种钛基表面复合涂层的制备方法

Info

Publication number: CN106811749A
Application number: CN201510862644.6A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 于鹤龙; 汪勇; 吉小超; 王红美; 郭永明; 宋占永; 张梦清
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Beijing Rui Mann Technology Co., Ltd.; Hebei Beijing Tianjin Hebei remanufacturing industry technology research Co., Ltd.; Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN106811749B

Abstract

本发明提供了一种钛基表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：A)对钛基的表面进行预处理；B)在步骤A)得到的钛基表面预置前驱体粉末涂层；所述前驱体粉末涂层包括钛粉、石墨粉和铝粉；C)对步骤B)得到的钛基表面的预置前驱体粉末涂层进行感应熔覆，冷却后得到钛基表面复合涂层。本申请制备的钛基复合涂层中碳化钛增强相为原位合成，增强相与基体相容性好、界面纯净、分布均匀、颗粒细小；涂层硬度和弹性模量高，涂层与基体之间形成良好的冶金结合。试验结果表明，本申请制备的钛基表面复合涂层中碳化钛的平均粒径为2～8μm，涂层的显微硬度为580～640HV_0.2。

Description

一种钛基表面复合涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，尤其涉及一种钛基表面复合涂层的制备方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐海水腐蚀、无磁性、生物兼容性好以及抗氧化性能优异等优点，广泛应用于航天、航海、化学工业和生物医学等领域。但钛合金摩擦系数大，易产生粘着磨损、微动磨损以及承载能力低的问题，极大地降低了钛合金结构的安全性、可靠性和服役寿命。表面涂层和表面改性技术是改善钛合金耐磨性，提高钛合金构件表面承载能力的有效手段。

非连续增强钛基复合材料具有各向同性、易于加工等优点，因此引起了工业部门的广泛关注。以外加颗粒方法或原位合成工艺制备的非连续增强钛基复合材料因其加工工艺与钛合金相似，机械性能提升幅度大，成本与钛合金材料接近，是目前该领域的重要研究和发展方向。原位合成陶瓷相增强钛基复合涂层具有增强相尺寸和分布可控、界面纯净、热稳定性好等突出优点，在涂层制备过程中依靠自蔓延反应原位合成的SiC、TiC、TiB、TiB₂、ZrB₂、Al₂O₃以及各类金属间化合物等增强相，可显著提高钛合金基体的力学性能，是钛合金表面涂层材料研究的热点领域。目前常用的钛合金表面原位合成复合涂层技术主要包括：(1)离子注入、气相沉积、离子渗氮、激光气体渗氮等钛合金表面渗碳、渗氮、渗硼、氮氧共渗及微弧氧化等表面改性技术，上述表面改性技术的优点是改性层表面光洁、工艺重复性好，缺点是耐磨改性层薄、处理周期长、组织难于灵活控制；(2)等离子喷涂、超音速火焰喷涂等热喷涂技术，上述热喷涂技术的优点是可制备大面积厚涂层、工艺简单、成本低，但存在涂层孔隙率高、原位反应不完全、涂层与基体间结合强度差和材料疲劳强度低等问题；(3)激光熔覆、激光重熔、激光相变硬化、激光表面合金化等激光表面处理技术，上述激光表面处理技术的优点是涂层与基体可形成冶金结合、涂层组织致密、原位反应充分、涂层性能好，但缺点是成本高、涂层裂纹倾向大、残余应力高；(4)氩弧熔覆、氩弧焊等传统焊接处理技术，上述焊接处理技术的优点是工艺简单、成本低，但存在涂覆层表面粗糙度高、涂层质量不可控以及后续加工余量大等问题。由此，本申请提供了一种钛基表面感应熔覆原位合成钛基复合涂层的制备方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种钛基表面复合涂层的制备方法，本申请制备的钛基表面复合涂层综合性能较好。

有鉴于此，本申请提供了一种钛基表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

A)，对钛基的表面进行预处理；

B)，在步骤A)得到的钛基表面预置前驱体粉末涂层；所述前驱体粉末涂层包括钛粉、石墨粉和铝粉；

C)，对步骤B)得到的钛基表面的预置前驱体粉末涂层进行感应熔覆，冷却后得到钛基表面复合涂层。

优选的，所述石墨粉的含量为4wt％～18wt％，所述铝粉的含量为3wt％～6wt％，余量为钛粉。

优选的，所述石墨粉的粒径为3～5μm，所述钛粉的粒径为10～25μm，所述铝粉的粒径为10～25μm。

优选的，所述钛基为钛合金平板，所述感应熔覆在氩气条件下进行，感应熔覆的功率密度为20～40W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的距离为4～6mm，所述钛合金平板的移动速度为1～3mm/s，氩气流量为1.5～3L/min。

优选的，所述钛基为钛合金轴颈，所述感应熔覆在氩气条件下进行，感应熔覆的功率密度为15～40W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～5mm/s，钛合金轴颈的自转速度为30～50r/min，氩气流量为10～15L/min。

优选的，所述钛基为钛合金内孔，所述感应熔覆在氩气的条件下进行，感应熔覆的功率密度为20～50W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～2mm/s，钛合金内孔工件的自转速度为200～400r/min，氩气流量为8～10L/min。

优选的，步骤B)具体为：

将钛粉、石墨粉、铝粉与粘结剂混合，得到前驱体膏状物，将所述前驱体膏状物涂覆于步骤A)得到的钛基表面，烘干。

优选的，所述粘结剂为质量比为1：(2～4)的松香和松节油的混合物。

优选的，所述前驱体粉末涂层的厚度为0.2～1.0mm。

优选的，所述钛基为钛合金或纯钛。

本申请提供了一种钛基表面复合涂层的制备方法，具体步骤为：对钛基的表面进行预处理，然后在预处理后的钛基表面预置前驱体粉末涂层，最后对钛基表面的预置前驱体粉末涂层进行感应熔覆，冷却后得到钛基表面复合涂层。本申请制备的钛基表面复合涂层中原位合成了碳化钛增强相，且增强相与基质相相容性好、界面纯净、分布均匀、颗粒细小，涂层硬度和弹性模量高，涂层与基体之间形成了良好的冶金结合，涂层内部组织致密、无裂纹和孔隙等缺陷。试验结果表明，本申请制备的钛基复合涂层中碳化钛的平均粒径为2～8μm，涂层的显微硬度为580～640HV_0.2。

附图说明

图1为本发明实施例1～9制备的钛基复合涂层X射线衍射图谱；

图2为本发明实施例1制备的钛基复合涂层截面的整体微观组织的激光共聚焦显微镜照片；

图3为本发明实施例1制备的钛基复合涂层内部显微组织的激光共聚焦显微镜照片；

图4为本发明实施例1制备的钛基复合涂层与基体界面的显微组织的激光共聚焦显微镜照片；

图5为本发明实施例2制备的钛基复合涂层内部显微组织的扫描电镜照片；

图6为本发明实施例3制备的钛基复合涂层内部显微组织的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种钛基表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

A)，对钛基的表面进行预处理；

本申请提供了一种钛基表面复合涂层的制备方法，其通过采用感应熔覆对钛基表面进行处理，使钛基表面原位合成碳化钛增强相，有利于钛基表面综合性能的提高。

在制备钛基表面涂层的过程中，本申请首先对钛基的表面进行预处理。本申请所述钛基是指以钛元素为主要组成的金属基材料，可以为钛合金，也可以为纯钛，对此本申请没有特别的限制。由于纯钛以及多数钛合金的焊接性相似，因此，本申请对所述钛基没有特别的限制。在实施例中，所述钛基优选为Ti6Al4V。所述预处理是为了使钛基表面清洁，以利于后期感应熔覆过程中不引入杂质，提高涂层与基体结合强度。按照本发明，所述预处理具体为：

采用砂纸或磨光机打磨，或采用喷砂方法，将钛基表面进行预处理，再将处理后的钛基表面进行清洗。

本申请然后在经过预处理的钛基表面预置前驱体粉末涂层。本申请所述前驱体粉末涂层包括钛粉、铝粉和石墨粉。其中所述钛粉的粒径优选为10～25μm，纯度为99.9％；所述石墨粉的粒径优选为3～5μm，纯度优选为99.99％，所述铝粉的粒径优选为10～25μm，纯度为99.9％。所述钛粉、石墨粉与铝粉的粒径会影响复合涂层的性能，主要体现为：

1)粒径越大预置涂层的孔隙越大、数量越多，从而使预置涂层的电阻率增大；而感应熔覆技术主要利用了熔覆材料在感应线圈产生的交变磁场作用下表面产生的涡流效应和集肤效应，其中材料的电阻率是影响涡流效应的重要因素，电阻率越小，涡流效应越显著，材料升温速度越快，感应加热效率越高；反之，感应加热效率低、加热速度慢，不利于预置涂层快速熔化和原位合成反应的发生；

2)随着粉末粒径的增大，特别是石墨粉体粒径过大，使石墨在整个预置前驱体粉末涂层中的分散不均匀，使最终形成的TiC增强相分布不均，使增强相的强化效果弱化；

3)粉末粒径过大，对于Ti粉和Al粉而言，不易在感应熔覆过程中完全熔化，使凝固后形成的涂层组织不致密，存在孔隙等缺陷；对于石墨粉体而言，粒径过大时会造成石墨颗粒芯部反应不完全，即熔覆后形成的涂层内有未完全反应的石墨，同样降低涂层性能。

本申请所述铝粉的含量优选为3wt％～6wt％，所述铝粉主要是降低反应物的熔点，其次是作为合金元素固溶在钛基涂层内部起到对涂层基质相固溶强化的作用；当Al的含量过多时，形成Ti₃Al和TiAl金属间化合物，降低涂层的韧性，不利于涂层力学性能提高。

所述石墨粉的含量优选为4wt％～15wt％，在实施例中，所述石墨粉的含量更优选为6wt％～12wt％，所述石墨粉主要是为Ti+C＝TiC反应提供C元素，当C含量很小时，生成的TiC增强相体积分数优先，对涂层起不到有效地强化作用；当C含量高于20wt％(通常C:Ti>1:1)时，造成TiC含量过高，Ti含量相对降低使整个复合体系在加热熔化时熔池区域减小，降低液相对基体的润湿性，不利于涂层成形，同时降低复合涂层的韧性，增大涂层裂纹倾向。

在实施例中，所述钛粉的含量优选为80wt％～90wt％。本申请所述预置前驱体粉末涂层的过程具体为：

将钛粉、铝粉与石墨粉经过球磨后再与粘结剂混合，得到前驱体粉末的膏状物；

将所述膏状物涂覆于经过预处理的钛基表面，烘干后得到预置前驱体粉末涂层。

上述过程中，所述粘结剂优选为质量比1：(2～4)的松香和松节油的混合物；所述铝粉、钛粉与石墨粉的总质量与所述粘结剂的质量比优选为(9～11)：1。所述前驱体粉末涂层的厚度优选为0.2～1.0mm。所述烘干的温度优选为120℃～150℃，时间优选为2～3h。

本申请最后将钛基表面的预置前驱体粉末涂层进行感应熔覆，冷却后得到感应熔覆原位合成钛基复合涂层。

本申请所述感应熔覆的参数是影响钛基表面涂层性能的重要因素，涂层制备过程需要控制的参数主要包括：感应加热电源的输出功率P_s(或工件表面感应加热功率密度P₀)、零件与感应加热线圈的相对移动速度v、预置涂层表面与感应线圈之间的距离a、内孔工件旋转速度n₁，轴类工件旋转速度n₂；以上工艺参数的合理选择是制备涂层的关键，具体参数选择与钛基基体结构和尺寸、预置涂层厚度、预置涂层材料成分和电磁性能(磁导率、电阻率)等有关。

采用透入式加热可提高感应加热速度，减少热量损失，提高感应加热效率，除向基体内部传导和表面散失所损耗的功率，实际测定透入式加热的有效功率约占感应电源总功率的50％～55％。采用透入式加热方法将预置金属粉末涂层加热至熔化状态所需的比功率可采用下式进行计算：

其中，P₀-总比功率(被加热表面单位面积的功率，即功率密度)，W/cm²；

η-用于涂层加热的有效比功率占总比功率的比例，％；

T₁-加热至预置金属粉末涂层熔化所需的温度，℃；

T₀-加热前预置金属粉末涂层的温度，℃；

c-预置金属涂层材料的比热容，J/kg·℃；

ρ₁-预置涂层的材料密度，g/cm³；

d-预置涂层的厚度，mm；

_t-感应加热时间，s；

根据感应加热线圈与工件相对移动速度、感应线圈有效加热部分的长度(即感应器高度)可计算获得感应加热时间_t：

t＝h/v (2)；

其中，h-感应加热线圈有效加热部分的长度，mm；

v-线圈与工件之间相对移动速度，mm/s。

由公式(1)、(2)可知：

感应加热设备的输出功率(P_s)通常在感应加热电源面板有显示或可通过测量线圈电流和电压并计算获得，P_s与工件表面功率密度P₀存在如下关系：

P_s＝P₀·A (4)；

其中，P_s-感应加热设备输出总功率，kW；

A-感应线圈同时加热面积。

对于轴类工件和内孔类工件，感应线圈加热面积与轴类工件直径或内孔类工件内径以及感应器长度有关，存在如下关系：

A＝πDh (5)；

其中，D-内孔类工件内径或轴类工件直径，cm；

h-感应器长度，即能够实现有效加热部分的长度，mm。

对于平板类工件，当工件尺寸小于平面线圈尺寸时，感应线圈同时加热面积近似为工件面积；当工件尺寸大于平面线圈尺寸时，感应线圈同时加热面积近似为平面感应加热线圈面积。

所以，涂层制备过程中感应加热设备的输出功率为：

由公式(6)可知，内壁涂层感应熔覆过程中影响设备输出功率的主要因素包括：涂层熔化所需温度(即材料熔点)、加热前涂层所处环境温度(通常为室温)、涂层材料比热容、涂层材料密度、涂层厚度、工件尺寸(平板工件厚度、内孔工件内径、轴类工件直径)、线圈与工件之间相对移动速度以及用于涂层加热的有效功率占总功率比率。在实际涂层制备过程中，为确保预置涂层在加热过程中完全熔化，T₁设定为高于涂层材料熔点50℃～150℃；T₀设定为室温25℃；考虑到感应内孔加热过程感应线圈加热效率较低，η设定为35～45％，对于轴类工件和平板类工件加热，η设定为50～55％；工件其余参数对于特定涂层材料与零件尺寸均为已知或可通过测量获得。通过以上可确定涂层制备过程中所需的感应加热设备输出功率的大致范围。

零件与感应加热线圈的相对移动速度-v的确定，由公式(2)可知，在感应加热过程中，在感应加热电源振荡输出功率一定的情况下，零件与感应加热线圈的相对移动速度v主要影响加热时间。零件与感应加热线圈的相对移动速度越小，加热时间越长，热量向内壁表面和基体内部散失越多，热效率低，容易导致零件过热、变形或造成涂层过熔；相反，速度越高，加热时间越短，热量散失少，热效率高，零件变形小，但可能存在局部不熔或涂层熔化不良；由公式(3)可知，为使预置涂层充分熔化，在其他参数不变的情况下，零件与感应加热线圈的相对移动速度与所需感应加热功率成正比，即v越大，要求设备输出的功率(P_s)越高；另外，零件与感应加热线圈的相对移动速度影响内壁表面涂层的散热；v越高，内壁涂层表面散热越快，预置涂层熔化后凝固速度越快，涂层内部晶粒更加细化。

零件内壁预置涂层表面与线圈间隙-a的确定，预置涂层表面与感应线圈之间的间隙是影响电效率和涂层加热质量的重要因素。间隙越小，漏磁损失越少，感应线圈的电效率越高，在感应加热电源输出功率不变的情况下，涂层表面比功率增加，使加热速度增大，热量更多地集中在涂层内部，预置涂层在更短时间熔化，减少热损失，有利于获得好的涂层质量。但考虑到间隙过小存在短路放电危险，同时涂层熔化过程中释放热量，容易造成线圈过热。在本发明中，对预置涂层进行感应加热制备熔覆涂层时，a可取4.0～6.0mm。

内孔工件旋转速度-n₁(针对在内孔类工件内壁表面制备涂层的情况)的确定，零件旋转速度同样是影响涂层质量的关键参数。内壁表面预置的金属粉末涂层在高频感应加热过程中迅速熔化，在停止加热后冷却、凝固并形成与基体具有冶金结合特征的感应熔覆涂层。涂层在加热熔化过程中受重力影响，容易发生流淌、变形现象，导致涂层厚度不均和性能下降。在预置内壁涂层加热熔化过程中保持零件高速旋转，通过旋转产生离心力抵消重力影响，可使预置涂层熔化后仍保持良好成形状态。同时，高速离心旋转也有助于压实涂层，提高涂层与基体结合强度，并有利于涂层内部气体的排除，从而降低涂层孔隙。

为确保预置涂层加热熔化后仍保持成形状态，要求零件旋转产生的相对离心场RCF≥1，即：

由于ω＝2πn/60，于是零件旋转速度下限n_min为：

其中，RCF-相对离心场，g；

D-零件内壁直径，厘米；

n-零件旋转速度，转/分；

ω-零件旋转角速度，弧度/秒；

g-重力加速度，980厘米/秒²。

在实际操作中，由于过高的旋转速度会使长工件加热过程存在一定的安全隐患，因此要求RCF≤2，由此可计算零件旋转速度的最大值n_max为：

轴类工件旋转速度-n₂(针对在轴类工件内壁表面制备涂层的情况)的确定，在轴类工件轴颈表面制备感应熔覆钛基复合涂层时，工件旋转的目的是保证预置涂层受热均匀。涂层在加热熔化过程中受重力影响，容易发生流淌、变形现象，导致涂层厚度不均和性能下降。因此，工件的旋转速度n₂不易过大，一般控制在20～60rpm以内。

本申请所述钛基可以为平板、轴颈和内孔等不同形状钛合金基体表面，针对不同的钛合金基体，根据感应熔覆参数确定的原则，确定感应熔覆的参数。

若所述钛基为钛合金平板，所述感应熔覆的过程具体为：

将表面预置有前驱体粉末涂层的钛合金平板置于持续通入氩气的保护罩内，并固定在平面数控机床上，使其能按照设定的速度进行直线往复运动；

将与高频感应加热电源连接的平面感应解热线圈置于钛合金平板上方，调整工件表面预置涂层与感应线圈之间的距离；

采用感应线圈对钛合金平板表面的预置涂层进行扫描熔覆，具体工艺参数为：所述感应熔覆的功率密度为20～40W/mm²，前驱体粉末涂层与感应线圈的距离为4～6mm，所述钛合金平板的移动速度为1～3mm/s，氩气流量为1.5～3L/min。

若所述钛基为钛合金轴颈，所述感应熔覆的过程具体为：

将表面预置有前驱体粉末涂层的钛合金轴类工件固定在平面数控机床上，持续通入氩气，使其能按照设定的转速沿轴心进行往复运动和旋转运动；

将所述钛合金轴类工件置于与高频感应加热电源连接的轴颈感应加热线圈内部，调整工件高度使其与感应加热线圈同轴；

采用感应线圈对钛合金轴颈表面的预置涂层进行扫描熔覆，具体工艺参数为：所述感应熔覆的功率密度为15～40W/mm²，所述前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～5mm/s，钛合金轴颈的自转速度为30～50r/min，氩气流量为10～15L/min。

若所述钛基为钛合金内孔，所述感应熔覆的过程具体为：

将表面预置有前驱体粉末涂层的钛合金内孔工件固定在平面数控机床上，持续通入氩气，使其能按照设定的转速沿轴心进行往复运动和旋转运动；

将与高频感应加热电源连接的内孔感应加热线圈置于钛合金内孔工件内部，调整工件高度使其与感应加热线圈同轴；

采用感应线圈对钛合金内孔表面预置涂层进行扫描熔覆，具体工艺参数为：所述感应熔覆的功率密度为20～50W/mm²，所述前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～2mm/s，钛合金内孔工件的自转速度为200～400r/min，氩气流量为8～10L/min。

按照本发明，在将钛基进行感应熔覆之后，则停止加热并继续通入保护气体冷却至150℃以下，自然空冷。

本专利利用感应加热技术引燃Ti、Al和石墨混合物预置涂层，在钛基表面制备原位复合钛基涂层；该方法借助感应加热技术集肤效应和涡流效应加热并熔化涂层，且利用石墨和Ti之间的高温自蔓延合成反应(SHS)放热为涂层成形和增强相原位合成提供附加热量，同时利用添加的低熔点合金化元素Al进一步降低反应物熔点，从而确保涂层具有良好的成形性以及原位合成陶瓷增强相。

本申请制备的钛基复合涂层中碳化钛增强相为原位合成，增强相与基体相容性好、界面纯净、分布均匀、颗粒细小；涂层硬度和弹性模量高，涂层与基体之间形成良好的冶金结合；涂层内部组织致密，无裂纹、孔隙等缺陷，表面光滑、平整，后续加工余量小；涂层原料和制备工艺简单，热影响区窄，涂层制备效率和粉末利用率高，可实现对涂层结构和增强相形态、粒度与分布的有效调控，涂层制备过程无污染。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的钛基表面复合涂层的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

尺寸为50mm×100mm×10mm的TC4钛合金板材，其成分为Ti6Al4V；平面形感应线圈尺寸为30mm×50mm，线圈方形铜管尺寸8.0mm×8.0mm、壁厚0.5mm。感应熔覆设备采用东莞广源变频电子设备厂GY-100AB型高频感应加热设备，设备振荡频率为80～200kHz，振荡功率100kW。熔覆原料粉末分别为钛粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)、石墨粉(粒径3～5μm，纯度99.99％)和铝粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)。

(1)钛合金基体清洗与预处理

以棕刚玉为磨料，采用喷砂方法对待熔覆钛合金板材表面进行预处理，去除表面氧化层和油污，再采用丙酮溶液对处理后基体表面进行超声波清洗；

(2)预置反应前驱体粉末涂层

①混粉采用行星式球磨机将79wt％的钛粉、15wt％的石墨粉和6wt％的铝粉混合物进行球磨处理，球磨机转速200r/min，处理时间2h；

②预置涂层将松香与松节油按照1:3的质量比混合后加热至80℃，制成粘结剂；将混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉与粘结剂混合、搅拌，制成膏状物，借助刮刀和模具均匀涂于所述清洁和预处理后基体表面，获得厚度1.0mm的预制涂层，并在干燥箱中进行烘干备用，烘干处理的温度为150℃，时间2h。

(3)制备高频感应熔覆涂层。

①固定工件将经过步骤(2)处理的钛合金板材置于持续通有氩气的保护罩内，并固定在平面数控机床上，使其按照设置的速度进行直线往复运动；

②调整感应线圈将与高频感应加热电源连接的平面感应加热线圈置于钛合金板材上方，调整钛合金表面预置涂层与感应线圈之间的距离；

③高频感应熔覆采用感应线圈对所述钛合金平板基体表面预制涂层进行扫描熔覆；感应熔覆工艺参数为：线圈输出功率为30kW(功率密度约为20W/mm²)、预制涂层与感应线圈距离为5.0mm、所述钛合金平板工件移动速度为1mm/s、氩气流量为1.5～3L/min；

④冷却停止加热并继续通保护气体冷却至150℃以下，停止通氩气并自然空冷。

图1为通过实施例1的方法制备的钛基复合涂层的X射线衍射(XRD)图谱，由图1可知，通过以上步骤获得的熔覆层主要由TiC相和Ti相构成，其中TiC相为钛粉与石墨粉在感应熔覆过程中原位生成的硬质陶瓷相。

图2为通过实施例1的方法制备的钛基复合涂层的截面整体微观组织照片，由图2可知，通过以上步骤获得的熔覆层呈均匀连续、平整致密的微观结构，涂层厚度约为920μm。

图3为本实施例制备的钛基复合涂层内部显微组织照片，由图3可知，涂层显微组织致密、原位生成的硬质相分布均匀，碳化钛颗粒细小，平均粒径为2～3μm。涂层显微硬度范围580～640HV_0.2，约为TC4钛合金基体硬度的2倍。

图4为实施例制备的钛基复合涂层与基体界面的显微组织照片，由图4可知，涂层与基体呈现良好的冶金结合，涂层与钛合金基体界面处形成了宽度约为200μm的过渡区。

实施例2

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例1的方法相似，区别在于：感应熔覆工艺参数的调整。本实施例的工艺参数为：线圈输出功率37.5kW(功率密度约为25W/mm²)、预置涂层与感应线圈距离5.0mm、所述钛合金平板工件移动速度2mm/s、氩气流量1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度590～630HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为185μm。涂层相结构与实施例1获得的涂层相近，主要由TiC颗粒和Ti基金属构成。涂层显微组织如图5所示，由图5可知，涂层组织致密，碳化钛颗粒形态主要由平均粒径2～3μm的小尺寸颗粒和平均粒径5～8μm的大尺寸颗粒构成。由本实施例的结果可以看出，与实施例1获得的涂层相比，采用本实施例所述方法获得涂层与基体界面处过渡区域宽度进一步变窄，涂层内部原位合成的增强相尺寸进一步增大。

实施例3

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例1的方法相似，区别在于：本实施例中调整了感应熔覆的工艺参数。本实施例的工艺参数为：线圈输出功率45kW(功率密度约为30W/mm²)、预制涂层与感应线圈距离5.0mm、所述钛合金平板工件移动速度3mm/s、氩气流量1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度610～640HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为175μm。涂层相结构与实施例1所用方法获得的涂层相近，主要由TiC颗粒和Ti基金属构成。涂层显微组织如图6所示，由图6可知，涂层组织致密，碳化钛颗粒形态主要由平均粒径5～8μm的大尺寸颗粒构成。由本实施例的结果可以看出，与实施例1、2所述方法获得的涂层相比，采用本实施例所述方法获得涂层与基体界面处过渡区域宽度进一步变窄，涂层内部原位合成的增强相尺寸进一步增大。

实施例4

尺寸为Φ40mm×200mm TC4钛合金轴类工件，其成分为Ti6Al4V；轴颈感应线圈有效加热长度30mm，圆形铜管尺寸Ф8.0mm、壁厚0.5mm。感应熔覆设备采用东莞广源变频电子设备厂GY-100AB型高频感应加热设备，设备振荡频率为80～200kHz，振荡功率100kW。熔覆原料粉末分别为钛粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)、石墨粉(粒径3～5μm，纯度99.99％)和铝粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)。

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金轴类工件表面的制备方法，具体实施方法如下：

(1)钛合金基体清洗与预处理

采用磨床对轴颈表面进行磨削预处理，去除表面氧化层，再以丙酮为清洗剂，将待熔覆钛合金轴类工件进行超声波清洗。

(2)预置反应前驱体粉末涂层

②预置涂层将松香与松节油按照1:3的质量比混合后加热至80℃，制成粘结剂；将混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉与粘结剂混合、搅拌，制成膏状物，并借助刮刀和旋转机床均匀涂于所述清洁和预处理后基体表面，获得厚度1.0mm的预制涂层，并在干燥箱中进行烘干备用，烘干处理的温度设置范围为150℃，时间2h。

(3)制备高频感应熔覆涂层。

①固定工件将经过步骤(2)处理的钛合金轴类工件固定在平面数控机床上，使其按照设置的转速沿轴心进行往复运动和旋转运动；

②连接并调整感应加热线圈将所述钛合金轴类工件置于与高频感应加热电源连接的轴颈感应加热线圈内部，调整工件高度使其与感应加热线圈同轴；

③高频感应熔覆采用感应线圈对所述钛合金轴颈表面预制涂层进行扫描熔覆，感应熔覆工艺参数为：感应加热功率38kW(功率密度约为15W/mm²)，所述钛合金基体表面预制涂层与感应线圈间隙为5mm，感应线圈移动速度为1mm/s，钛合金轴类工件自转速度为30r/min，氩气流量10～15L/min。

④冷却停止加热并继续通保护气体冷却至150℃以下，再停止零件旋转和通气，自然空冷。

按照上述方法在钛合金轴类工件表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.92mm，涂层平均显微硬度580～640HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为200μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例1所用方法获得的涂层相似。

实施例5

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金轴类工件表面的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例4的方法相似，区别在于：本实施例调整了感应熔覆工艺参数。具体工艺参数为：线圈输出功率为50kW(功率密度约为20W/mm²)，预制涂层与感应线圈距离为5.0mm，所述钛合金平板工件移动速度为2mm/s，氩气流量为1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度590～630HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为185μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例2所用方法获得的涂层相似。

实施例6

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金轴类工件表面的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例4的方法相似，区别在于：本实施例中调整了感应熔覆工艺参数，具体工艺参数为：线圈输出功率为62.5kW(功率密度约为25W/mm²)，预制涂层与感应线圈距离为5.0mm，所述钛合金平板工件移动速度为3mm/s，氩气流量1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度610～640HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为175μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例3所用方法获得的涂层相似。

实施例7

内孔尺寸为Φ35mm×200mm、壁厚为8mm的TC4钛合金内孔工件，其成分为Ti6Al4V；内孔感应线圈有效加热长度20mm，圆形铜管尺寸Ф5.0mm、壁厚0.5mm。感应熔覆设备采用东莞广源变频电子设备厂GY-100AB型高频感应加热设备，设备振荡频率为80～200kHz，振荡功率100kW。熔覆原料粉末分别为钛粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)、石墨粉(粒径3～5μm，纯度99.99％)和铝粉(粒径10～25μm，纯度99.9％)。

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金内孔工件内壁表面的制备方法，具体实施方法如下：

(1)钛合金基体清洗与预处理

采用磨床对内壁表面进行磨削预处理，去除内壁表面氧化层，再以丙酮为清洗剂，将待熔覆钛合金内孔工件进行超声波清洗。

(2)预置反应前驱体粉末涂层

②预置涂层将松香与松节油按照1:3的质量比混合后加热至80℃，制成粘结剂；将混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉与粘结剂混合、搅拌，制成膏状物，并借助刮刀和旋转机床均匀涂于所述清洁和预处理后基体表面，获得厚度1.0mm的预制涂层，并在干燥箱中进行烘干备用，烘干处理的温度为150℃，时间2h；

(3)制备高频感应熔覆涂层

①工件固定将经过步骤(2)处理的钛合金内孔工件固定在平面数控机床上，使其按照设置的转速沿轴心进行往复运动和旋转运动；

②调整感应线圈将与高频感应加热电源连接的内孔感应加热线圈置于钛合金内孔工件内部，调整工件高度使其与感应加热线圈同轴；

③高频感应熔覆采用感应线圈对所述钛合金内孔表面预制涂层进行扫描熔覆，感应熔覆工艺参数为：感应线圈输出功率为45kW(功率密度约为20W/mm²)，所述钛合金基体表面预制涂层与感应线圈间隙为5mm，感应线圈移动速度为1mm/s，钛合金内孔工件自转速度为240r/min，氩气流量8～10L/min；

按照上述方法在钛合金轴类工件表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.92mm，涂层平均显微硬度580～640HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为200μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例1和实施例4所用方法获得的涂层相似。

实施例8

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金内孔工件内壁表面的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例7的方法相似，区别在于：本实施例中调整了感应熔覆工艺参数，具体工艺参数为：线圈输出功率为55kW(功率密度约为25W/mm²)，预制涂层与感应线圈距离为5.0mm，所述钛合金平板工件移动速度为2mm/s，所述钛合金内孔工件自转速度为240r/min，氩气流量1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度590～630HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为185μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例2和实施例5所用方法获得的涂层相似。

实施例9

本实施例用于说明本发明的感应熔覆原位合成碳化钛增强钛基复合涂层在钛合金内孔工件内壁表面的制备方法，具体地，本实施例的方法与实施例7的方法相似，区别在于：本实施例中调整了感应熔覆工艺参数，具体工艺参数为：线圈输出功率为66kW(功率密度约为30W/mm²)，预制涂层与感应线圈距离为5.0mm，所述钛合金平板工件移动速度为3mm/s，所述钛合金内孔工件自转速度为240r/min，氩气流量为1.5～3L/min。

按照上述方法在钛合金板材表面获得的碳化钛增强钛基复合涂层平均厚度约为0.91mm，涂层平均显微硬度610～640HV，约为TC4钛合金基体硬度的2倍，涂层与基体界面的过渡区域宽度约为175μm。涂层相结构、碳化钛颗粒尺寸与分布、涂层显微组织等与实施例3和实施例6所用方法获得的涂层相似。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种钛基表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

A)，对钛基的表面进行预处理；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨粉的含量为4wt％～18wt％，所述铝粉的含量为3wt％～6wt％，余量为钛粉。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述石墨粉的粒径为3～5μm，所述钛粉的粒径为10～25μm，所述铝粉的粒径为10～25μm。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钛基为钛合金平板，所述感应熔覆在氩气条件下进行，感应熔覆的功率密度为20～40W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的距离为4～6mm，所述钛合金平板的移动速度为1～3mm/s，氩气流量为1.5～3L/min。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钛基为钛合金轴颈，所述感应熔覆在氩气条件下进行，感应熔覆的功率密度为15～40W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～5mm/s，钛合金轴颈的自转速度为30～50r/min，氩气流量为10～15L/min。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钛基为钛合金内孔，所述感应熔覆在氩气的条件下进行，感应熔覆的功率密度为20～50W/mm²，所述预置前驱体粉末涂层与感应线圈的间隙为4～6mm，感应线圈的移动速度为1～2mm/s，钛合金内孔工件的自转速度为200～400r/min，氩气流量为8～10L/min。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤B)具体为：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为质量比为1：(2～4)的松香和松节油的混合物。

9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体粉末涂层的厚度为0.2～1.0mm。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钛基为钛合金或纯钛。