CN108251835B - 一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法 - Google Patents

一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。所述复合梯度涂层为：在钛合金表面原位生成第1梯度层，然后依次在第N‑1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i‑1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层以及第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N‑1。

Description

一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度 涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强 Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。
背景技术
钛合金具有低密度、高强度、高模量及其耐腐蚀和生物相容性好等优异的物理化学性能，已广泛被应用于航空航天、机械、化工和生物医疗等领域。但由于其硬度低、耐磨性能差和高温易发生氧化等缺点，限制其作为高温、磨损等零部件的应用。由于磨损和氧化主要发生在材料表面，通常采用表面改性技术，在钛合金表面制备硬度高、抗高温氧化和耐磨损的涂层，改善钛合金的摩擦学性能及其高温抗氧化性能。
目前，热喷涂、化学气相沉积、微弧氧化和激光粉末沉积等方法被广泛用于钛及钛合金的表面改性。相比激光粉末沉积，其它方法工艺比较复杂，制备涂层的步骤比较多。而激光粉末沉积，通过激光辐射在钛合金表面形成熔池，同时利用送粉器将粉末注入熔池内，粉末熔化并与熔池内熔融钛合金反应，原位生成表面涂层。现有采用激光粉末沉积法所制备的 Al3Ti基复合涂层中，一般采用单层均匀材质；这导致一旦涂层开始出现纵向损伤；后期的磨损速度就会急剧加快。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3 梯度层，依次类推，直至在第N-1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；
在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；
第1梯度层至第i梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；
第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；
所述i大于等于2小于等于N-1。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；单个梯度层的厚度为50-300微米。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti5Si3的体积百分含量小于等于10％。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti5Si3呈纳米和/或微米颗粒弥散分布于Al3Ti基体中。
作为优选方案，本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；第1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为3-5％。本发明中，第p梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为第p-1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量的1.05-1.1倍；所述p小于等于i。同时第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量。作为优选，当N为整数时，i＝N/2；当N为奇数时，i＝(N+1) /2，所述N大于等于4。进一步优选，所述N大于等于6。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；
步骤一
以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按原子比89：10：1组成；
步骤二
以粉末A和Ti粉的混合粉末作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第 2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；
步骤三
更换原料，重复步骤二，在第q层梯度层上沉积第q+1梯度层；沉积第q+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第q层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；所述q+1小于等于i；所述i＝N/2或(N+1)/2，所述N为所设计梯度层的总层数；
步骤四
更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第i梯度层上沉积第i+1梯度层；沉积第i+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i层梯度层所用原料中Ti含量的0.9-0.98倍；
步骤五
更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第i+s梯度层上沉积第i+s+1梯度层；沉积第i+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1 倍；直至得到第N梯度层。
在工业上应用时，可以按设计组分配置好各原料；也可在送粉过程中，通过气流各组分原料，最后通过气流对喷的方式混料；如管道G1输送粉料A；管道G2输送Ti粉；管道G1的出粉口正对管道G2的出粉口，通过控制气流的载分量和气体流速，控制Ti粉和粉料A的比例；通过对喷，实现其均匀混合，均匀混合后，通过输送设备铺设于指定位置。
本发明一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，
激光功率为100-220W、优选为180-205W；
激光扫描速度为200-700mm/s、优选为280-320mm/s；
Ti6Al4V送粉量为0.1-0.5cm3/min、优选为0.15-0.25cm3/min。
本发明所设计和制备的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti5Si3的Al3Ti基涂层的1.5倍以上。
尤其是在高温条件下，其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti5Si3的Al3Ti基涂层的2.2倍以上。
原理和优势
涂层在使用过程中，裂纹和显微剥落是难以避免的；本发明一改当前耐磨涂层的设计理念，即在磨损过程中不产生裂纹和显微剥落这一设计理念；本发明在涂层设计时，秉承的原则为：使用初期或者使用前要尽量避免裂纹的产生和显微剥落现象的出现，一旦出现了细微裂纹和显微剥落，靠近基底的涂层还必须具备实现细微裂纹的自修复功能。本发明巧妙的在梯度层中，设计了第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；这样设计为第 i层以及第i以下涂层的自修复提供了必要条件。
本发明在原位生成的Al3Ti高温涂层中得到弥散的Ti5Si3；Ti5Si3具有低密度(4.26g/cm3)、高硬度(900-1000HV)、高熔点(2130℃)等特点，有利于提高涂层的耐磨、耐高温性能，同时弥散分布的Ti5Si3有利于减小材料的内部应力，缓解裂纹的产生。
附图说明
图1为本发明所设计梯度涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例1所得产品中第1梯度层的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；
步骤一
以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按质量比89：10：1组成；第1梯度层的厚度为100微米；
步骤二
用粉末A和Ti粉作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；第2梯度层的厚度为100微米；
步骤三
更换原料，重复步骤二，在第2层梯度层上沉积第3梯度层；沉积第3梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第2层梯度层所用原料中Ti含量的1.05倍，第3梯度层的厚度为150微米；
步骤四
更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第3梯度层上沉积第4梯度层；沉积第4梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第3层梯度层所用原料中Ti含量的0.95倍；第4梯度层的厚度为100微米；
步骤五
更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第3+s梯度层上沉积第3+s+1梯度层；沉积第3+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第3+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05 倍；直至得到第6梯度层。所述s大于等于1小于等于3；第5梯度层的厚度为100微米；第6梯度层的厚度为100微米；
在本实施例中，通过气流运载各组分原料，最后通过气流对喷的方式混料；如管道G1 输送粉料A；管道G2输送Ti粉；管道G1的出粉口正对管道G2的出粉口，通过控制气流的载分量和气体流速，控制Ti粉和粉料A的比例；通过对喷，实现其均匀混合，均匀混合后，通过输送设备铺设于指定位置。
本实施例中，激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，
激光功率为200W；
激光扫描速度为300mm/s；
总送粉量为0.2cm3/min。
对比例1
不采用梯度设计，直接制备和实施例1一样厚的涂层(其涂层的组成和本发明第1梯度层的组成完全一致)，其采用的激光粉末沉积工艺也和实施例1完全一致。
将实施例1和对比例1在相同的条件下进行滑动磨损试验(对磨球：Si3N4速度：600转/min，载荷20N)，每隔30min观测一次磨损情况，1小时后，对比例1所得样品开始出现肉眼观测到的磨损。暂停磨损实验，此时实施例1所得产品磨损率为0.623×10-3mm3/m；而对比例1所得产品的磨损率却高达0.794×10-3mm3/m；继续磨损实验5小时；此时实施例1 所得产品的磨损率仅为0.84×10-3mm3/m，而对比例1的磨损率却高达1.065×10-3mm3/m。

Claims (8)

1.一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3梯度层，依次类推，直至在第N-1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度层；
在复合梯度涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3 的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3 3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3 的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3 的含量；
第1梯度层至第i梯度层中，Ti5Si3 的含量随层数的增加而依次递增；
第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3 的含量随层数的增加而依次递增；
所述i大于等于2小于等于N-1。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：单个梯度层的厚度为50-300微米。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3 Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在任意一梯度层中Ti5Si3 的体积百分含量小于等于10%。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在任意一梯度层中Ti5Si3 呈纳米和/或微米颗粒弥散分布于Al3Ti基体中。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：第1梯度层中Ti5Si3 的体积百分含量为3-5%；第p梯度层中Ti5Si3 的体积百分含量为第p-1梯度层中Ti5Si3 的体积百分含量的1.05-1.1倍；所述p小于等于i；
同时第i梯度层中Ti5Si3 的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3 的含量，且所述第i梯度层中Ti5Si3 的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3 的含量。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：当N为整数时，i=N/2；当N为奇数时，i=（N+1）/2，所述N大于等于4。
7.一种制备如权利要求1-6任意一项所述钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的方法；其特征在于；包括下述步骤;
步骤一
以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按原子比89：10：1组成；
步骤二
以粉末A和Ti粉的混合粉末作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:( Al+Si+Mg)=1:3；
步骤三
更换原料，重复步骤二，在第q层梯度层上沉积第q+1梯度层；沉积第q+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第q层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；所述q+1小于等于i；所述i =N/2或（N+1）/2，所述N为所设计梯度层的总层数；
步骤四
更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第i梯度层上沉积第i+1梯度层；沉积第i+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i层梯度层所用原料中Ti含量的0.9-0.98倍；
步骤五
更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第i+s梯度层上沉积第i+s+1梯度层；沉积第i+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；直至得到第N梯度层。
8.根剧权利要求7所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3 弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；其特征在于：激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，控制激光功率为100-220W、激光扫描速度为200~700mm/s、送粉量为0.1-0.5cm3/min。
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