CN107058933B - 一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层及其制备方法，通过采用镍基成分的粉末作为送粉材料，通过适宜的等离子弧工艺参数选择，配合所涉及的保护罩，气保护装置有效防止了熔覆过程中基体母材的氧化和氮化；方便在相对廉价的等离子弧设备上实现钛合金表面耐磨耐蚀强化，利用等离子弧功率大的优点获得更高的熔覆效率；熔敷后获得的熔敷层的硬度以镍基固溶体为主，里面分布有TiC、TiB₂及CrB等增强相，熔敷层的硬度可达1200Hv左右。

Description

一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属表面涂层技术领域，特别涉及一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金由于具有强度高，密度小，有良好的高温强度、低温韧性及优异的耐蚀性等特性，因而被作为结构材料在航空、航天、船舶、化工生物材料等领域等工业部门广泛使用。随着钛合金的应用越来越广泛，对其性能要求也是越来越高。然而，由于钛合金摩擦系数大、粘着磨损严重，微动磨损敏感，导致其耐磨损性能较差，高温摩擦时容易着火，即“钛火”，这在一定程度上限制了其在需要摩擦运动的部件上的应用。因此，改善钛合金表面性能，扩大其应用范围是近期科研的一个热点。

采用涂层技术制备耐磨涂层是一项经济高效的提高钛合金构件耐磨性能的方法。在钛合金表面改性技术中，离子渗氮、CVD等虽然能得到结构性能较好的涂层；但是其对基体的影响较大，离子注入得到的涂层厚度极其有限；热喷涂能得到性能较好的涂层，但是其涂层与基体之间结合不牢固，限制了其应用。激光熔覆制备的涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，性能良好，是钛合金表面改性的一种很好的选择。文献李嘉宁,王娟,单飞虎,等.Cu对TA15-2钛合金表面Stellite 12基激光合金化涂层组织结构及耐磨性的影响[J].金属学报,2014,50(5):547-554采用激光熔覆的方法，通过同轴送粉的方式，采用Stellite12+B₄C+Cu的粉末组成，制备了含有超细纳米晶体及非晶体的硬质复合涂层，涂层的耐磨损性能得到了显著提高。文献林英华,雷永平,符寒光,等.激光原位制备硼化钛与镍钛合金增强钛基复合涂层[J].金属学报,2014(12):47-47采用纯Ni与TiB₂粉末作为熔覆材料，运用激光熔覆原位技术在TC4钛合金表面制备了以高硬度TiB₂和TiB为增强相，以高韧性NiTi和Ti为基体的复合涂层。目前大多数激光熔覆研究都是在提高其材料的耐磨性，但牺牲了钛合金本身优异的耐蚀性，这在钛合金上得不到较好的应用。

等离子弧熔覆是一种新的表面改性技术。相比于设备成本昂贵的激光设备，等离子弧熔覆设备具有设备简便、使用成本低、加工效率高的特点，配合机器人使用可以完成自动化，在工业领域具有良好应用前景。等离子弧粉末熔覆堆焊工作原理：是利用等离子弧作为热源，由送粉器向堆焊枪供粉，吹入电弧中，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、随堆焊枪和工件的相对移动，等离子弧离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金堆焊层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的等离子弧使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其冶金结合的涂层，且满足特定性能如耐磨、耐蚀要求的涂层，达到材料表面改性或修复的目的，但等离子熔覆在钛合金基材方面还未有研究。因此提供一种用于钛合金表面等离子弧熔覆技术用以提高钛合金构件耐磨性能、耐蚀性能具有重要意义。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的一个目的是针对现有直接添加增强相存在耐磨性和耐蚀性差、结合强度低、流动性不好的弊端，提供一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层，避免直接添加增强相在熔敷过程中的烧损，采用廉价的元素合金粉末得到高耐磨性、耐蚀性、流动性强的钛合金涂覆涂层。

本发明的另一目的是提供一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层的制备方法，选择合适的送粉材料，通过适宜的等离子弧工艺参数选择，在相对廉价的等离子弧设备上实现钛合金表面耐磨耐蚀强化，利用等离子弧功率大的优点获得更高的熔覆效率；

本发明的第三个目的是提供一种等离子弧熔覆设备，能确保在熔池凝固后冷却到400度之前始终处于氩气保护状态，有效防止熔覆过程中钛合金基体母材的氧化和氮化及抑制钛合金的晶粒长大。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层，所述的耐磨合金的元素质量百分比含量Cr 5-20％，Si 0.5-5％，B 0.1-5％，C 0.2-1.5％，CaF₂ 1-10％，钛铁0-10％，Ni 50-90％，所述涂层包括TiC、TiB₂及CrB增强相。

本发明制备的钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层所具有的高耐磨性和耐蚀性、结合强度、流动性能好是其自身组分所决定的。其作用为：

Cr：不仅可以提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性，而且是固溶强化和碳化物形成元素，可产生固溶强化，铬含量增加，合金中硬质相增加，合金相对耐磨性及耐腐蚀性能提高。

Ni：耐蚀且可提高涂层韧性。

B，C元素：在铁基合金中加入适量的B与C可以获得高硬度的硼碳化合物，从而提高堆焊合金的硬度与耐磨性。

Si，CaF₂：改善流动性，兼有造渣剂的功能，在熔敷过程中形成渣气联合保护的效果。

优选的，所述钛合金基材为TC1、TC4和TC9中的任意一种。

优选的，所述熔覆材料Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末粒度40-80um。

一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材待熔覆表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Cr 5-20％，Si 0.5-5％，B 0.1-5％，C 0.2-1.5％，CaF₂ 1-10％，钛铁0-10％，Ni 50-90％。

三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆。

本发明的熔敷粉末选用了耐蚀好的镍基粉末，采用廉价的元素合金粉末，利用原位反应的办法来形成硬质增强相，避免直接添加增强相在熔敷过程中的烧损。除了考虑耐磨性和耐蚀性外，还考虑到熔敷过程中的工艺性，镍基合金熔点高，流动性差，本粉末加入一定量的氟化钙、硅粉等改善流动性，兼有造渣剂的功能，在熔敷过程中形成渣气联合保护的效果。

优选的，步骤三中将钛合金基材置于等离子弧熔覆设备惰性气氛的槽状气保护装置，惰性气体从槽状气保护装置气体进口进入，从槽状气保护装置气体出口排出，对钛合金基体表面的涂层材料进行等离子熔覆，惰性气氛采用氩气作为保护气体，对钛合金基体表面的涂层材料等离子熔覆后持续充入氩气直至涂层冷却，钛合金试件下表面的槽状气保护装置，则通过在熔敷过程中持续通入氩气，一方面防止钛合金的氧化和氮化，另一方面起到气冷作用，抑制钛合金的晶粒长大。

优选的，所述的等离子弧熔覆的工艺参数为：工作电流：110-120A，钨极直径为4-6mm，用氩气为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为10-12g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆的熔覆层。

优选的，在焊接过程中焊枪摆动，扫描宽度为：4mm，摆动幅度为左右各为8mm，摆动速度为30mm/s。

优选的，在焊接过程中焊接过程中直线前进，焊枪不摆动。

优选的，所述等离子弧熔覆设备包括等离子弧焊枪及金属基体固定座，所述的等离子焊枪上表面设置拖罩气保护舱，钛合金试件下表面设置槽状气保护装置。拖罩气保护舱可以确保在熔池凝固后冷却到400度之前始终处于氩气保护状态，钛合金试件下表面的槽状气保护装置，则通过在熔敷过程中持续通入氩气，一方面防止钛合金的氧化和氮化，另一方面起到气冷作用，抑制钛合金的晶粒长大。

优选的，所述的离子气、送粉气和保护气均为99.99％的工业氩气。

优选的，所述钛合金基材为TC1、TC4或TC9。

优选的，所述熔覆材料Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁的粉末粒度40-80um。

一种等离子弧熔覆设备，包括等离子弧焊枪及金属基体固定座，所述的等离子焊枪上表面设置拖罩气保护舱，所述金属基体固定座固定有钛合金试件，钛合金试件下表面设置槽状气保护装置。

优选的，所述拖罩气保护舱为顶面开口的不封底的箱体结构，拖罩气保护舱顶面开口与等离子焊枪嵌套配合，拖罩气保护舱两端分别设有保护气体进口与保护气体出口。在熔敷过程中持续通入氩气，可以确保在熔池凝固后冷却到400度之前始终处于氩气保护状态。

优选的，所述槽状气保护装置为不封顶的箱体结构，槽状气保护装置两端分别设有保护气体进口与保护气体出口。钛合金试件下表面的槽状气保护装置，则通过在熔敷过程中持续通入氩气，一方面防止钛合金的氧化和氮化，另一方面起到气冷作用，抑制钛合金的晶粒长大。

优选的，所述等离子焊枪包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极。

本发明的有益效果：

(1)本发明熔覆粉末采用相对廉价的元素粉末进配比，可以获得不同耐磨性的适应性涂层；选用了耐蚀好的镍基粉末，采用廉价的元素合金粉末，利用原位反应的办法来形成硬质增强相，避免直接添加增强相在熔敷过程中的烧损，强化涂层硬度。除了考虑耐磨性和耐蚀性外还考虑到熔敷过程中的工艺性，镍基合金熔点高，流动性差，本粉末加入一定量的氟化钙、硅粉等改善流动性。

(2)熔覆粉末中的氟化钙、硅粉兼有造渣剂的功能，在熔敷过程中形成渣气联合保护的效果。熔覆粉末熔覆过程中可实现渣气联合保护效果，工艺效果提升显著。

(3)本发明采用镍基成分的粉末作为送粉材料，通过适宜的等离子弧工艺参数选择，配合所涉及的保护罩，气保护装置有效防止了熔覆过程中基体母材的氧化和氮化；方便在相对廉价的等离子弧设备上实现钛合金表面耐磨耐蚀强化，利用等离子弧功率大的优点获得更高的熔覆效率；

(4)本发明熔敷后获得的熔敷层的硬度以镍基固溶体为主，里面分布有TiC、TiB₂及CrB等增强相，熔敷层的硬度可达1200Hv左右。

(5)本发明改进的等离子弧熔覆设备，等离子焊枪上表面增加的拖罩气保护舱可以确保在熔池凝固后冷却到400度之前始终处于氩气保护状态，在钛合金试件下表面的增加了槽状气保护装置，通过在熔敷过程中持续通入氩气，一方面防止钛合金的氧化和氮化，另一方面起到气冷作用，抑制钛合金的晶粒长大。

附图说明

图1为离子弧熔覆设备；

图2为离子弧熔覆设备拖罩气保护舱立体图、俯视图、仰视图；

图3为离子弧熔覆设备槽状气保护装置主视图、俯视图；

图中：1、离子气管，2、送粉管，3、冷却水管，4、钨极，5、焊枪喷嘴，6、拖罩气保护舱，7、槽状气保护装置，8、钛合金试件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材TC4合金表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：粉末的配比(质量比)：Cr 15％，Si 1.5％，B 2％，C 0.3％，CaF₂ 5％，钛铁0，镍76.2％，粉末粒度40um。三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆。等离子弧熔覆的工艺参数为：在焊接过程中采用焊枪摆动，扫描宽度为：4mm，摆动幅度为左右各为8mm；摆动速度为30mm/s，工作电流：110A，钨极直径为4mm，用氩气为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为10g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆的熔覆层。

等离子弧熔覆设备包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极、拖罩气保护舱及钛合金试件下表面的槽状气保护装置。设备示意图如图1。熔敷后获得的熔敷层的硬度以镍基固溶体为主，里面分布有TiC、TiB₂及CrB增强相，熔敷层的硬度1000Hv左右。

实施例2：

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材TC4合金表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：粉末的配比(质量比)：Cr 10％，Si 3％，B 1％，C1％，CaF₂10％，钛铁5％，镍70％，粉末粒度80um。

三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆。等离子弧熔覆的工艺参数为：在焊接过程中采用不摆动直线前进，工作电流：120A，钨极直径为6mm，用氩气为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为12g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆的熔覆层。

等离子弧熔覆设备包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极、拖罩气保护舱及钛合金试件下表面的槽状气保护装置。设备示意图如图1。熔敷后获得的熔敷层的硬度以镍基固溶体为主，里面分布有TiC、TiB₂及CrB增强相，熔敷层的硬度1200Hv左右。

实施例3：

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材TC4合金表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：粉末的配比(质量比)：Cr 20％，Si 5％，B 5％，C 0.3％，CaF₂ 5％，钛铁10％，镍54.7％，粉末粒度60um。三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆。等离子弧熔覆的工艺参数为：在焊接过程中采用焊枪摆动，扫描宽度为：4mm，摆动幅度为左右各为8mm；摆动速度为30mm/s，工作电流：115A，钨极直径为5mm，用氩气作为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为11g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆的熔覆层。

等离子弧熔覆设备包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极、拖罩气保护舱及钛合金试件下表面的槽状气保护装置。设备示意图如图1。熔敷后获得的熔敷层的硬度以镍基固溶体为主，里面分布有TiC、TiB₂及CrB增强相，熔敷层的硬度1300Hv左右。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀成混合粉末；然后对所述混合粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Cr5-20％，Si0.5-5％，B0.1-5％，C0.2-1.5％，CaF₂1-10％，钛铁5-10％，Ni50-90％；

二)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆；

所述的钛合金基材熔覆前进行表面预处理去除钛合金基材熔覆表面的氧化膜；等离子弧熔覆的工艺参数为：工作电流：110-120A，钨极直径为4-6mm，用氩气作为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为10-12g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆得到熔覆层；

所述熔覆得到的熔覆层中包括TiC、TiB₂及CrB增强相；

所述钛合金基材为TC1、TC4或TC9，所述Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁组成的混合粉末的粒度为40-80μm；

所述等离子弧熔覆设备，包括等离子弧焊枪及金属基体固定座，所述的等离子焊枪上表面设置拖罩气保护舱，所述金属基体固定座固定有钛合金试件，钛合金试件下表面设置槽状气保护装置；

所述拖罩气保护舱为顶面开口的不封底的箱体结构，拖罩气保护舱顶面开口与等离子焊枪嵌套配合，拖罩气保护舱两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述槽状气保护装置为不封顶的箱体结构，槽状气保护装置两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述等离子焊枪包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极。

2.一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材TC4合金表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Cr10％，Si3％，B1％，C1％，CaF₂10％，钛铁5％，镍70％，粉末粒度80μm；

三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆，等离子弧熔覆的工艺参数为：在焊接过程中采用不摆动直线前进，工作电流：120A，钨极直径为6mm，用氩气为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为12g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆得到熔覆层；

所述等离子弧熔覆设备，包括等离子弧焊枪及金属基体固定座，所述的等离子焊枪上表面设置拖罩气保护舱，所述金属基体固定座固定有钛合金试件，钛合金试件下表面设置槽状气保护装置；

所述拖罩气保护舱为顶面开口的不封底的箱体结构，拖罩气保护舱顶面开口与等离子焊枪嵌套配合，拖罩气保护舱两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述槽状气保护装置为不封顶的箱体结构，槽状气保护装置两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述等离子焊枪包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极。

3.一种钛合金表面等离子弧熔覆耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，

一)钛合金基材待熔覆表面预处理：去除钛合金基材TC4合金表面的氧化膜；

二)熔覆材料配制：将一定质量比例的Ni、Cr、Si、B、C、CaF₂、钛铁粉末混合均匀；然后对所述熔覆粉末进行真空干燥处理，所述混合粉末中各成分的质量百分比为：Cr20％，Si5％，B5％，C0.3％，CaF₂ 5％，钛铁10％，镍54.7％，粉末粒度60μm；

三)等离子弧熔覆：将钛合金基材固定在等离子弧熔覆设备上，等离子弧以同轴送粉方式对钛合金基材进行熔覆，等离子弧熔覆的工艺参数为：在焊接过程中采用焊枪摆动，扫描宽度为：4mm，摆动幅度为左右各为8mm；摆动速度为30mm/s，工作电流：115A，钨极直径为5mm，用氩气作为保护气、离子气体和送粉气，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，送粉气流量为2.5L/min，送粉速率为11g/min，熔覆速度为2mm/s，通过等离子弧的移动，在钛合金基材表面均匀熔覆得到熔覆层；

所述等离子弧熔覆设备，包括等离子弧焊枪及金属基体固定座，所述的等离子焊枪上表面设置拖罩气保护舱，所述金属基体固定座固定有钛合金试件，钛合金试件下表面设置槽状气保护装置；

所述拖罩气保护舱为顶面开口的不封底的箱体结构，拖罩气保护舱顶面开口与等离子焊枪嵌套配合，拖罩气保护舱两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述槽状气保护装置为不封顶的箱体结构，槽状气保护装置两端分别设有保护气体进口与保护气体出口，所述等离子焊枪包括冷却水管、送粉管、离子气管、焊枪喷嘴、钨极。