CN108118329A - 一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法，本发明公开了一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法，Ni‑Cr‑Ti‑C复合涂层采用激光熔覆技术在基体材料TC4钛合金上镀膜后进行复合涂层制备。本发明通过激光熔覆工艺提高Ni‑Cr‑Ti‑C复合涂层耐磨性能。通过对比分析激光熔覆涂层工艺参数，显著地提高了熔覆层的硬度，使熔覆层具有极高的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于合金涂层加工技术领域，涉及一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法。
背景技术
激光熔覆是利用高能激光束加热材料表面，将预先涂覆在其上的或输送到表面的涂层材料与基体表面一起熔化后迅速凝固，得到成分与涂层基本一致的熔覆层，以改善材料表面性能的一种工艺。它与激光表面合金化的不同之处在于：后者是使添加的合金元素和基材表面全部混合，而前者是预涂层全部熔化而基材表面微熔，预涂层成分基本保持不变，只是与基材结合处变得稀释。
钛合金激光熔覆材料体系主要有耐磨涂层、生物涂层等，其熔覆层的性质取决于涂层的组织和相组成，而其化学成分和加工工艺又决定了熔覆层的组织结构，从工艺上讲，激光熔覆层又因为激光快速凝固过程产生的晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐蚀性。
由于钛合金具有优良的性能，在航空航天等部门中存在广泛的应用。然而其耐磨性差对其应用产生了诸多限制。为了充分发挥其高比强度的性能优势，拓展其在机械零件上的使用范围，就必须提高钛合金表面的耐磨性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，提高Ni-Cr-Ti-C复合涂层耐磨性能的制备方法，Ni-Cr-Ti-C复合涂层采用激光熔覆技术在基体材料TC4钛合金上镀膜后进行复合涂层制备。
本发明的特点在于
利用基体材料为TC4钛合金，是一种典型的α+β型两相钛合金。其化学成分(wt%)为 5.5～6.8Al，3.5～4.5V，其余为Ti。激光熔覆试样的尺寸为30mm×20mm×10mm。待激光熔覆的表面经磨削加工，预置粉末前用金相砂纸打磨除氧化膜，并用丙酮和酒精进行清洗，迅速吹干。
本发明涂层材料选用自熔性良好Ni基合金。其具有高强度、良好的耐腐蚀性及耐高温性能的，涂层成分配制分为三种成分。各种粉末均为200目，分析纯。
本发明A组涂层成分为15.6Cr-8Ti-1.8C-74.6Ni（wt.%）；B组涂层成分为31.2Cr-8Ti-3.6C-57.2Ni（wt.%）；C组涂层成分为46.8Cr-8Ti-7.2C-38Ni（wt.%）。
将熔覆材料粉末充分均匀混合之后加入粘结剂(酒精)搅拌均匀，按涂层厚度为0.6mm预涂在TC4合金表面。自然干燥，待用。
本发明激光熔覆实验采用DL-HL-T50000B型快速轴流CO2激光器，在激光熔覆过程中，采用熔池侧吹入氩气保护，以防氧化。
本发明激光熔覆分两步进行：首先在B组成分样品采用不同的激光工艺参数，得出优化的工艺参数再对A、C组成分进行实验。具体A组成分样品的激光工艺参数为：激光功率3(P/KW) ，扫描速度为6 (V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) 。B组成分样品的激光工艺参数为：激光功率2~4(P/KW) ，扫描速度为5~7(V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) 。C组成分样品的激光功率4 (P/KW) ，扫描速度为6 (V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) 。
本发明利用线切割机将熔覆后的试样按垂直于涂层表面方向切开，获得涂层沿层深方向的界面图。用金相砂纸磨至1200#，然后用抛光机进行抛光。将抛光后试样用20Vol.%HNO3，+30Vol. %HF+50Vol. %H2O的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间为40s左右。
本发明利用MEF3多功能金相显微镜、JSM-5600LV型扫描电镜及其附件LINKISIS6587型能量分散谱仪，EPMA—1600型电子探针仪进行涂层截面微区组织结构分析。将熔覆试样的表面磨平，利用XRD—6000型X射线衍射仪分析复合涂层表面物相组成。
本发明利用HX—1型显微硬度计测量涂层微区组织的显微硬度值。分别沿熔覆横截面的最厚点由表及里测定复合涂层的显微硬度，测量三次后取平均值。将试样及未处理试样表面磨去约0.2mm后用砂纸打磨平整，抛光，在UMT-2型多功能摩擦磨损测试仪上进行干滑动摩擦磨损实验。实验中使用的摩擦副为SiC球，规格为Ф5mm。实验参数如下：法向载荷为30N，磨球运行速度为l mm／s，滑动距离为6mm，磨球往复运动时间为30min。用最小量程为10-5的分析天平测量磨损失重量△m，并计算质量磨损率I (I=△m／L)，用显微分析法研究磨损试样的磨损机制。
本发明的有益效果是通过激光熔覆工艺提高Ni-Cr-Ti-C复合涂层耐磨性能。通过对比分析激光熔覆涂层工艺参数，显著地提高了熔覆层的硬度，使熔覆层具有极高的耐磨性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明利用激光熔覆工艺提高Ni-Cr-Ti-C复合涂层耐磨性能，对不同激光熔覆涂层工艺参数进行比对分析，利用多方面测试仪器对钛合金涂层硬度及耐磨性能进行测试，得到耐磨性能高的熔覆涂层。操作方法简单易行，节省时间，提高加工效率。
实施例1
通过分析B组复合涂层截面组织形貌，观察到熔覆试样由涂层熔区、热影响区、基体三部分组成。基体表面形成了平整、光滑、表面质量良好的熔覆带，涂层熔区内没有明显的孔洞及开裂等宏观缺陷。熔覆层宽度及厚度适宜，既保证了涂层与基体间牢固结合，又不至于使涂层被基体过分稀释而丧失涂层所寄希望的优异性能。涂层与基体间的结合界面平直、清晰，宏观组织形貌为激光熔覆过程中形成的一条耐腐蚀的白亮冶金结合带。涂层熔区内为典型的铸态树枝晶组织，枝晶生长中的方向性明显，基本上垂直于涂层与基体的结合界面而与激光熔覆传热方向相平行。在激光熔覆快速凝固过程中，形成的树枝晶组织细小且均匀分布。随着枝晶在熔区内的生长，凝固界面前方微区内的合金成分及传热情况发生变化，导致树枝晶晶粒大小及生长方向发生交化，并发生生长形态的变化，在熔区中部生长成部分胞状晶甚至等轴晶组织。
实施例2
A组复合涂层截面组织形貌结构与B组复合涂层界面组织形貌观察结果相似。A组涂层枝晶晶粒尺度相对于B组涂层形貌观察相比变大，相对于B组涂层熔区中部等轴晶较发达，某些区域呈现出从树枝晶向等轴晶转化的趋势。由于受合金熔体对流搅拌的作用，在涂层中部区域失去明显的散热方向，形核后晶粒以无约束方式自由生长，形成胞状晶。
实施例3
A组复合涂层熔区内部枝晶区和枝晶间的显微组织硬度测量，熔区内显微硬度值整体分布均匀。不同区域的枝晶内部显微硬度值为670—850HV，而枝晶间的显微硬度值则为790-1000HV，后者的较高显微硬度值也是高硬度陶瓷相TiC以及少量NiTi2、Cr7C3等弥散分布在固溶体内造成的，而单独的γ-Ni和β-Ti固溶体组织显微硬度值稍低。
实施例4
激光熔覆试样硬度沿层深方向的分布是由熔覆区到热影响区呈阶梯状降低。钛合金基体的平均硬度为330～340Hv，热影响区的硬度值为430HV左右。A组分熔覆区硬度范围为850～950HV， B组分熔覆区硬度范围为920～1000HV，C组分熔覆区硬度范围为960～1050HV左右。所获得熔覆层的硬度约为基体硬度的3倍。A、B、C组分硬度依次有所递增的原因是Cr、C相对含量的增加，相应的金属陶瓷颗粒增强相增多，从而使硬度有所增加。
实施例5
在激光熔覆过程中，涂层中原位生成了大量稳定的TiC、Cr如等增强相，这些增强相形态各异，均匀分布在Ti基合金基体上，起到弥散强化的作用。具体的弥散强化主要通过转移载荷强化、质点阻碍位错运动、不均匀塑性变形引起位错增殖等几种强化机制来实现的。TiC的硬度极高，室温维氏硬度达到HV 3200～3400。这些增强相以TiC的强化为主，使得涂层的强度大大提高，其硬度可比金属硬度提高3倍左右。
Claims (8)
1.一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法，解决了现有技术中存在的问题，本发明的特点在于，对Ni-Cr-Ti-C复合涂层采用激光熔覆技术在基体材料TC4钛合金上镀膜后进行复合涂层制备，提高Ni-Cr-Ti-C复合涂层耐磨性能。
2. 根据权利要求1所述的一种提高钛合金复合涂层耐磨性能的制备方法，利用基体材料为TC4钛合金，是一种典型的α+β型两相钛合金，其化学成分(wt%)为 5.5～6.8Al，3.5～4.5V，其余为Ti，激光熔覆试样的尺寸为30mm×20mm×10mm，待激光熔覆的表面经磨削加工，预置粉末前用金相砂纸打磨除氧化膜，并用丙酮和酒精进行清洗，迅速吹干。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，将熔覆材料粉末充分均匀混合之后加入粘结剂(酒精) 搅拌均匀，按涂层厚度为0.6mm预涂在TC4合金表面，自然干燥，待用。
4.根据权利要求1所述的制备方法，本发明激光熔覆实验采用DL-HL-T50000B型快速轴流CO2激光器，在激光熔覆过程中，采用熔池侧吹入氩气保护，以防氧化。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，本发明激光工艺参数为：激光功率3 (P/KW) ，扫描速度为6 (V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) ，B组成分样品的激光工艺参数为：激光功率2~4(P/KW) ，扫描速度为5~7(V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) ，C组成分样品的激光功率4 (P/KW) ，扫描速度为6 (V/mm•s-1) ，光斑直径为4 (D/mm) 。
6. 根据权利要求1所述的制备方法，本发明利用线切割机将熔覆后的试样按垂直于涂层表面方向切开，获得涂层沿层深方向的界面图，用金相砂纸磨至1200#，然后用抛光机进行抛光，将抛光后试样用20Vol.%HNO3，+30Vol. %HF+50Vol. %H2O的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间为40s左右。
7. 根据权利要求1所述的制备方法，本发明利用MEF3多功能金相显微镜、JSM-5600LV型扫描电镜及其附件LINKISIS 6587型能量分散谱仪，EPMA—1600型电子探针仪进行涂层截面微区组织结构分析，将熔覆试样的表面磨平，利用XRD—6000型X射线衍射仪分析复合涂层表面物相组成。
8. 根据权利要求1所述的制备方法，本发明利用HX—1型显微硬度计测量涂层微区组织的显微硬度值，分别沿熔覆横截面的最厚点由表及里测定复合涂层的显微硬度，测量三次后取平均值，将试样及未处理试样表面磨去约0.2mm后用砂纸打磨平整，抛光，在UMT-2型多功能摩擦磨损测试仪上进行干滑动摩擦磨损实验，实验中使用的摩擦副为SiC球，规格为Ф5mm，实验参数如下：法向载荷为30N，磨球运行速度为l mm／s，滑动距离为6mm，磨球往复运动时间为30min，用最小量程为10-5的分析天平测量磨损失重量△m，并计算质量磨损率I(I=△m／L)，用显微分析法研究磨损试样的磨损机制。
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