CN107488853B - 一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，通过激光处理获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中，接着通过等离子体辉光渗碳处理在涂层表面形成TiC硬化层以及进行原位激光退火，获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中渗碳层连续分布，从而有效克服了现有技术中通过激光熔敷获得耐磨的硬质相组织存在获得的耐磨硬化层组织过渡不连续，与基体匹配程度较低的缺陷的技术缺陷，使得耐磨的硬质相组织存在获得的耐磨硬化层组织连续过渡，与耐磨层与基体匹配程度好，有效增强了钛合金的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工领域，具体涉及一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术。
背景技术
激光产业的出现推动了光电产业的发展，是信息产业的支柱产业。据前瞻产业研究院测算，2014年国内激光产业市场规模在1300亿元左右。到2016年近期目标时，激光光产业产值预计超4000亿元，增加值上千亿元。激光产业园已建的和正在兴建的已超过16个。我国目前激光企业有3000家以上。激光产业正处于高速增长期。
激光热处理是一种表面热处理技术。即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。
钛及其合金由于比强度高、耐腐蚀性能和低温性能良好等优点，被广泛应用于工业生产的各个领域，但其存在硬度较低且易产生粘着磨损等缺点从而使它们的优良性能得不到充分发挥，用表面合金化的方法代替整体合金化以节约金属资源一直是世界范围内材料工 作者的重要研究内容之一。常规的表面合金化方法就是化学热处理，即利用高温下的扩散使合金元素渗入基体，以获得表面合金化层，不仅耗能，而且效率很低。激光合金化采用高能束激光作为热源，通过快速熔化与快速凝固，高效地实现基体金属的表面合金化。
中国发明专利申请号201410251279.0 公开了一种在钛金属表面制备Ti-Si-C涂层的方法，其特征是它由涂层合金粉末片制备和激光熔覆处理组成。其中，Ti粉、Si粉和石墨粉经混合球磨烘干后，在压片机上压制合金粉末片，且涂层合金粉末片中各组分的原子个数百分比为：Ti粉50%，Si粉16.7%，C粉33.3%。但是，经过激光熔敷处理后表面Ti5Si3金属间化合物的大量形成极易造成过共晶Ti-Si 涂层与Ti 基体界面产生较大的热应力和组织应力，从而使涂层凝固后界面易形成裂纹，使用性能下降。
中国发明专利申请号201410821962.3公开了一种在Ti 合金表面激光多层熔覆Ti-Si 梯度耐磨涂层的方法：在纯Ti 或Ti 合金表面自下而上激光依次熔覆单相α-Ti 打底层→亚共晶Ti-Si 中间层→过共晶Ti-Si 表面层三种不同成分涂层，通过梯度涂层中Si含量的逐渐增加使涂层形成Ti5Si3硬质相析出含量的梯度，降低表面层过共晶Ti-Si 成分与Ti 金属基体之间的热物理相容性和组织应力，提高了梯度涂层整体韧性和与基体结合力的效果。但是，根据Si含量梯度设计需要多次配合金粉末，导致整个过程连续性较差，并且，层与层之间Si含量不同导致层间组织过渡不连续，层与层界面处易产生应力集中，有碍耐磨层耐磨性能的发挥。
综上所述，现有技术方案通过调控元素配比，通过激光熔敷获得耐磨的硬质相组织存在获得的耐磨硬化层组织过渡不连续，与基体匹配程度较低的缺陷，获得的耐磨层耐磨性能强化效果不够理想。
发明内容
针对现有技术中通过激光熔敷获得耐磨的硬质相组织存在获得的耐磨硬化层组织过渡不连续，与基体匹配程度较低的技术缺陷，本发明提出一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，通过激光热处理工艺获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中渗碳层连续分布，进而提高钛合金耐磨性。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，所述激光热处理工艺中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中渗碳层连续分布，具体步骤如下：
（1）对钛合金表面进行喷砂预处理，选用白刚玉粗喷，喷砂的压力控制在0.45Mpa以下，时间为15~30秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将有机硅材料和TiC粉末均匀混合作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，涂层厚度小于等于10微米，涂覆完毕后在1200-1400℃高温还原气氛下热处理，除去有机成分，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，在涂层表面形成TiC硬化层；
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光热处理温度和时间，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
优选的，在对钛合金的表面喷砂预处理之前，对钛合金基体加热保温，温度保持在20-30℃。
优选的，选用的白刚玉微粉的粒径为200-320目，喷枪与工件距离为 50-150mm。
优选的，所述有机硅材料采用硅烷偶联剂、硅烷黏合剂、硅橡胶中的一种或几种的混合，所述TiC粉末的颗粒大小为5-50μm。
优选的，所述将有机硅材料和TiC粉末均匀混合作为涂层材料涂覆在步骤（1）获得的钛合金表面上，具体为：
采用单层或多层涂覆法，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置3-10分钟，等待空气排出，涂覆2-5次。
优选的，步骤（2）中所述还原性气氛为氢气、烷烃类气氛、烯烃类气氛的一种，所述烷烃类气氛为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷中的一种，所述烯烃类气氛为乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯、辛烯的一种。
优选的，所述对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，在涂层表面形成TiC硬化层，具体为：
采用的碳源为烷烃类气体，钛合金基体的渗碳温度为1000-1050℃，扩散时间为5-10分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
优选的，步骤（4）中激光功率为1-5kW，脉冲宽度为10-2-10秒，扫描速度为1-3mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.1-1秒。
本发明提供一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提供的一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，通过激光处理获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中，接着通过等离子体辉光渗碳处理在涂层表面形成TiC硬化层以及进行原位激光退火，获得渗碳层连续分布，使得耐磨的硬质相组织存在获得的耐磨硬化层组织连续过渡，与耐磨层与基体匹配程度好，有效增强了钛合金的耐磨性。
2、本发明提供的一种提高钛合金耐磨性的激光热处理技术，通过调节原位激光退火的功率和时间，可以调节表面TiC的含量，随着渗碳温度越高，时间越长，表面TiC的含量就越高，使得钛合金的耐磨性就越好。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）对钛合金基体加热保温，温度保持在20℃，对钛合金表面进行喷砂预处理，选用粒径为320目的白刚玉粗喷，喷枪与工件距离为 50mm，喷砂的压力为0.15Mpa，时间为30秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将有机硅材料采用硅烷偶联剂、硅烷黏合剂、硅橡胶中的一种或几种的混合和颗粒大小为10μm的TiC粉末均匀混合后，作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，采用多层涂覆法涂覆3次，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置4分钟，等待空气排出。涂层总厚度为5微米，涂覆完毕后在1350℃高温还原气氛丙烷中热处理，除去有机成分，同时Si与Ti发生反应，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，采用的碳源为丙烷气体，钛合金基体的渗碳温度为1000℃，扩散时间为10分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光功率为4kW，脉冲宽度为1秒，扫描速度为2.5mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.3秒，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
对实施例中通过表面处理获得的钛合金进行性能测试，显微硬度测试结果表明表面层硬度达到881HV0.5，是基体硬度(340HV0.5) 的2.25 倍，基体磨损体积0.13mm3时，样品磨损体积0.039mm3。
实施例2
（1）对钛合金基体加热保温，温度保持在23℃，对钛合金表面进行喷砂预处理，选用粒径为290目的白刚玉粗喷，喷枪与工件距离为 100mm，喷砂的压力为在0.40Mpa，时间为15秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将硅橡胶和颗粒大小为35μm的TiC粉末均匀混合后，作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，采用单层涂覆法，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置5分钟，等待空气排出。涂层总厚度为3微米，涂覆完毕后在1250℃高温还原气氛丙烷中热处理，除去有机成分，同时Si与Ti发生反应，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，采用的碳源为戊烷，钛合金基体的渗碳温度为1030℃，扩散时间为6分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光功率为3.5kW，脉冲宽度为10-2秒，扫描速度为1mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.7秒，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
对实施例中通过表面处理获得的钛合金进行性能测试，显微硬度测试结果表明表面层硬度达到860HV0.5，是基体硬度(340HV0.5) 的2.53倍，基体磨损体积0.13mm3时样品磨损体积0.042mm3。
实施例3
（1）对钛合金基体加热保温，温度保持在25℃，对钛合金表面进行喷砂预处理，选用粒径为250目的白刚玉粗喷，喷枪与工件距离为 120mm，喷砂的压力为0.42Mpa，时间为30秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将有机硅材料采用硅烷偶联剂、硅烷黏合剂、硅橡胶的混合和颗粒大小为25μm的TiC粉末均匀混合后，作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，采用多层涂覆法，涂覆5次涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置3分钟，等待空气排出，涂层总厚度等于10微米，涂覆完毕后在1400℃高温还原气氛乙烯中热处理，除去有机成分，同时Si与Ti发生反应，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，采用的碳源为甲烷，钛合金基体的渗碳温度为1000℃，扩散时间为5分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光功率为1.5kW，脉冲宽度为10秒，扫描速度为3mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.1秒，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
对实施例中通过表面处理获得的钛合金进行性能测试，显微硬度测试结果表明表面层硬度达到857HV0.5，是基体硬度(340HV0.5) 的2.52 倍，基体磨损体积0.13mm3时样品磨损体积0.048mm3。。
实施例4
（1）对钛合金基体加热保温，温度保持在28℃，对钛合金表面进行喷砂预处理，选用粒径为220目的白刚玉粗喷，喷枪与工件距离为 80mm，喷砂的压力控制为0.25Mpa，时间为25秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将有机硅材料采用硅烷偶联剂、硅烷黏合剂混合和颗粒大小为50μm的TiC粉末均匀混合后，作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，采用单层涂覆法，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置10分钟，等待空气排出。涂层总厚度为5微米，涂覆完毕后在1300℃高温还原气氛甲烷中热处理，除去有机成分，同时Si与Ti发生反应，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，采用的碳源为甲烷气体，钛合金基体的渗碳温度为1050℃，扩散时间为8分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光功率为3kW，脉冲宽度为0.1秒，扫描速度为1mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.8秒，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
对实施例中通过表面处理获得的钛合金进行性能测试，显微硬度测试结果表明表面层硬度达到892HV0.5，是基体硬度(340HV0.5) 的2.62 倍，基体磨损体积0.13mm3时样品磨损体积0.032mm3。
实施例5
（1）对钛合金基体加热保温，温度保持在30℃，对钛合金表面进行喷砂预处理，选用粒径为200目的白刚玉粗喷，喷枪与工件距离为150mm，喷砂的压力为0.25Mpa，时间为30秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将硅烷偶联剂和颗粒大小为5μm的TiC粉末均匀混合后，作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，采用多层涂覆法涂覆2次，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置3分钟，等待空气排出。涂层总厚度为7.8微米，涂覆完毕后在1400℃高温还原气氛氢气下热处理，除去有机成分，同时Si与Ti发生反应，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，采用的碳源为丙烷气体，钛合金基体的渗碳温度为1000℃，扩散时间为5分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光功率为5kW，脉冲宽度为10-2秒，扫描速度为2mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为1秒，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性。
对实施例中通过表面处理获得的钛合金进行性能测试，显微硬度测试结果表明表面层硬度达到907HV0.5，是基体硬度(340HV0.5) 的2.66倍，基体磨损体积0.13mm3时样品磨损体积0.027mm3。
Claims (7)
1.一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于，所述激光热处理工艺中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层中渗碳层连续分布，具体步骤如下：
（1）对钛合金表面进行喷砂预处理，选用白刚玉粗喷，喷砂的压力控制在0.45Mpa以下，时间为15~30秒，去除钛合金表面的粘砂、表面烧结层和氧化层，在钛合金表面形成活性位点；
（2）将有机硅材料和TiC粉末均匀混合作为涂层材料涂覆在经步骤（1）获得的钛合金表面上，涂层厚度小于等于10微米，涂覆完毕后在1200-1400℃高温还原气氛下热处理，除去有机成分，在钛合金基体表面得到TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层；
（3）对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，在涂层表面形成TiC硬化层；
（4）对所述TiC硬化层做激光热处理，调节激光热处理功率和时间，获得从涂层表面向基体TiC含量连续变化的耐磨层，提高钛合金的耐磨性；所述激光功率为1-5kW，脉冲宽度为10-2-10秒，扫描速度为1-3mm/s，所述激光热处理的单点处理时间为0.1-1秒。
2.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：在对钛合金的表面喷砂预处理之前，对钛合金基体加热保温，温度保持在20-30℃。
3.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：选用的白刚玉微粉的粒径为200-320目，喷枪与工件距离为 50-150mm。
4.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：所述有机硅材料采用硅烷偶联剂、硅烷黏合剂、硅橡胶中的一种或几种的混合，所述TiC粉末的颗粒大小为5-50μm。
5.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：所述将有机硅材料和TiC粉末均匀混合作为涂层材料涂覆在步骤（1）获得的钛合金表面上，具体为：
采用单层或多层涂覆法，涂覆过程中保持环境干燥清洁，涂完一层有机硅涂层材料静置3-10分钟，等待空气排出，涂覆2-5次。
6.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：步骤（2）中所述还原性气氛为氢气、烷烃类气氛、烯烃类气氛的一种，所述烷烃类气氛为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷中的一种，所述烯烃类气氛为乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯、辛烯的一种。
7.根据权利要求1所述一种提高钛合金耐磨性的激光热处理方法，其特征在于：所述对步骤（2）中获得的TiC增强Ti5Si3耐磨相基复合涂层进行等离子体辉光渗碳处理，在涂层表面形成TiC硬化层，具体为：
采用的碳源为烷烃类气体，钛合金基体的渗碳温度为1000-1050℃，扩散时间为5-10分钟，在涂层表面形成TiC硬化层。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20190416 Address after: 276800 Chengdu Road 399, Rizhao City, Shandong Province Applicant after: Rizhao Beike new metal material Co Ltd Address before: 610091 Donghai Road, Jiao long industrial port, Qingyang District, Chengdu, Sichuan 4 Applicant before: Chengdu Xinkeli Chemical Sci-Tech Co., Ltd. |
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Address after: 276800 south of West Macao Road, Rizhao South Road, economic development zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee after: Rizhao Beike new metal material Co.,Ltd. Address before: 276800 Chengdu Road 399, Rizhao City, Shandong Province Patentee before: RIZHAO BEIKE NEW METAL MATERIAL Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
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Denomination of invention: Laser heat treatment technology for improving wear resistance of titanium alloy Effective date of registration: 20210915 Granted publication date: 20190510 Pledgee: Rizhao Bank Development Zone sub branch Pledgor: Rizhao Beike new metal material Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009362 |
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