CN108754491A - 一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体公开了一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金，所述钛合金表面改性方法包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

Description

一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，更具体地，涉及一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金。

背景技术

目前钛合金表面改性的办法有几种。第一种，采用真空渗氮的方式，在钛合金表面产生陶瓷层，这种办法能够提高钛合金表面的硬度，硬化层深度不深，只能实现50μm的硬化涂层。第二种，采用气相沉积的方式，采用气相沉积的办法也能够在钛合金表面实现硬化层，这种办法得到的硬化层厚度不超过15μm，而且是非冶金结合。第三种，采用离子注入的方式，离子注入是直接将离子注入到钛合金基体里面，提高钛合金表面的硬度和耐磨性，这种方法产生硬化层厚度在50μm左右。第四种，采用微弧氧化的办法，这种办法能够在钛合金表面实现硬化陶瓷层的生长，存在的问题在于生长上的陶瓷层不是冶金结合，容易产生脱落。

中国专利CN201710999903.9公开了一种TC4钛合金激光熔覆增强涂层的制备方法，其包括对基体进行预处理；将碳化钛粉末和TC4钛合金粉末平铺在基体表面；将混合合金粉末利用高功率半导体激光器熔覆在基体的表面等步骤。在该专利中，碳化钛粉末起到类似于功能相的作用，对涂层耐磨度、硬度起到决定作用，而钛合金粉末起到类似于粘结相的作用；当碳化钛粉末含量加入量少，会影响涂层的耐磨度和硬度；当碳化钛粉末含量加入过多，由于是热加工，会存在很大的热应力，熔覆过程中会出现开裂的现象，尤其是涂层厚度越厚，越容易开裂，并且从该专利的SEM金相图中并没有明显看到碳化钛的痕迹。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金，通过优化混合合金粉末配比，采用激光多层熔覆技术，有效解决开裂问题，并且熔覆后碳化钛以颗粒的形式存在于熔覆层内，兼具熔覆厚度和整体硬度。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：

S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；

S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；

S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

进一步地，步骤S1中所述预处理是指先将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。

进一步地，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％，更规则的球形粉末能有效防止开裂。

进一步地，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉末颗粒为50～150μm。

进一步地，步骤S2中所述烘干是指在100摄氏度的烘干箱中完成。

进一步地，步骤S3中所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W，熔覆功率为1000～2000W，激光光斑直径为1～5mm，光斑直径太小，导致本发明的熔覆层品质不高，并且效率不高，光斑直径太大，在熔覆工程中容易产生缺陷。

进一步地，步骤S3中所述送粉器的送粉量为5～20g/min。

进一步地，步骤S3中所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8～12mm/S，搭接率为35～50％。

进一步地，步骤S3中所述逐层熔覆的每层厚度为0.3～1mm。

本发明还提供一种采用上述方法制备得到的表面改性钛合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明钛合金表面改性方法通过优化熔覆材料的粉末配比以及工艺步骤，碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末按照质量比30～40:60～70混合均匀，在熔覆过程中不会产生开裂，并且保证了整体硬度和耐磨度；边熔覆边送粉的方式，极大的提高了工作效率；采用多层熔覆的方式，在惰性气体保护下，可以灵活调整熔覆厚度，熔覆完成后放入保温炉或热处理炉内进行去应力处理，有效解决开裂问题，使得碳化钛球形粉末将完整的以颗粒状形式存在熔覆层中，本工艺生产效率高，可以实现大批量生产。

本发明表面改性钛合金的熔覆层与钛合金基板是冶金结合，具有良好的结合强度，可以实现0～3mm硬化层，有效解决了开裂的问题，其中碳化钛以颗粒的形式存在熔覆层内，整体硬度可以达到65HRC以上，大大提高钛合金表面的硬度及耐磨性，增加了钛合金的使用寿命。

附图说明

图1本发明激光熔覆层的SEM金相图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本发明的不当限定，本发明可以由发明内容限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本发明采用的试剂、化合物和设备为本技术领域常规试剂、化合物和设备。

本发明提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：

S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；

S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；

S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

本发明在步骤S1中将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。

步骤S2中首先把碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干，混合会更均匀，并且碳化钛和钛合金采用球形粉末，优选球形度大于80％，粉末颗粒为50～150μm，更规则的球形粉末能有效防止开裂。并且在此基础上进一步优化了粉末配比，由于碳化钛粉末起到类似于功能相的作用，对涂层耐磨度、硬度起到决定作用，当碳化钛球形粉末的质量百分比低于30％时，熔覆层的硬度和耐磨性均有提升，硬度提升至50HRC～60HRC，耐磨性提升50％～70％，超过30％时，硬度达到65HRC左右，耐磨性提升超过70％，而当碳化钛球形粉末的质量百分比高于40％时，虽然相比上述所述质量配比硬度和耐磨性有所增加，但是熔覆层容易开裂，尤其厚度越厚越容易开裂。

本发明为了将上述粉末配比达到最佳熔覆效果，步骤S3中采用先开惰性气体再开启送粉器送混合粉末，最后开启激光，以防止钛合金基材的烧伤和氧化，极大的提高了工作效率，结合多层熔覆的方式，在惰性气体保护下，可以灵活调整熔覆厚度，并且熔覆层不易开裂，碳化钛球形粉末将完整的以颗粒状形式存在熔覆层中，在本步骤中，当碳化钛球形粉末的质量百分比高于40％时，第一、二层熔覆的时候通常情况下不会开裂，但是到第三层或者第三层以上熔覆的时候就会出现开裂现象。

本发明为了熔覆效果更好，更进一步地优化了工艺，所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W，熔覆功率为1000～2000W，激光光斑可以选用圆形或矩形光斑，优选直径为1～5mm的圆形光斑，光斑直径太小，导致本发明的熔覆层品质不高且效率低，光斑直径太大，在熔覆工程中容易产生缺陷。

所述送粉器的送粉量为5～20g/min，所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8～12mm/S，所述逐层熔覆的每层厚度为0.3～1mm，每一道都用同样的搭接量，保证搭接平整，优选搭接率为35～50％，避免影响产品平整度，每一道的熔覆方向可以是同方向熔覆，也可以是双向往复熔覆，最终选择哪种熔覆方向可以根据工件实际情况和效率来定。每一层的熔覆厚度可以控制在0.3到1mm的厚度，根据送粉量的大小和激光熔覆速度来定。激光熔覆速度和功率一定时，送粉量越大，层高越高，激光功率和送粉量一定时，激光熔覆速度越小，熔覆层高越高。第一层做完后可以在上面继续做第二层，第三层，及第四层等；熔覆完成后放入保温炉或热处理炉内，设置保温温度200℃，进行去应力处理，从而减小开裂的可能性。

本发明中工艺参数是根据过程进行浮动的，也是控制熔覆层厚度的关键，在熔覆过程中，通过调整激光器功率，送粉量，激光熔覆速度来调整厚度。速度不变的情况下，适当增大功率和送粉量层厚会增加，反之会减小。功率和送粉量不变的情况下，减小速度，层厚会增加，反之层厚会减小。

如图1所示，可以得知图中左边有一点是钛合金基板，右边的是熔覆层，能清楚的看出碳化钛以颗粒的形式存在于熔敷层中，根据标尺尺寸可以简单计算碳化钛颗粒度大小，因此本发明通过上述工艺方案及混合合金粉末配比，可以实现0～3mm硬化层，整体硬度可以达到65HRC以上，大大提高钛合金表面的硬度及耐磨性，并且解决了开裂的问题。

本发明通过合适的粉末质量配比及工艺步骤，实现了钛合金表面激光熔覆一种含有耐磨相的涂层，该涂层与钛合金基板是冶金结合，具有良好的结合强度，同时解决现有技术中开裂导致涂层厚度不够，结合强度低以及硬度、耐磨性不好的问题，可以实现大批量生产。

实施例1

本实施例提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：

S1.钛合金基材待熔覆表面预处理：先将TC4钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹，放置在工作台上；

S2.熔覆材料配制：首先将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末在100摄氏度的烘干箱烘干，然后将碳化钛球形粉末与TC4钛合金球形粉末按照质量比30:70混合均匀，所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％，所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉末颗粒为50μm，得到混合粉末；

S3.激光熔覆：先打开氩气作为保护气，再用送粉器将步骤S2中准备好的混合粉末利用送粉器并采用氩气作为载气输送到达熔覆位置后，然后采用激光器发射激光熔化混合粉末及TC4钛合金基材，由于激光头有氩气作为保护气保护熔池，使熔覆上去的金属在冷却后保持金属光泽而不会被氧化，熔覆时机械手臂通过制定好的程序路径进行熔覆，每一道都用同样的搭接量，保证搭接平整，每一道的熔覆方向是同方向熔覆，第一层做完后可以在上面继续做第二层，第三层、第四层等，每层厚度控制在0.3～1mm，熔覆完成后放入保温炉或热处理炉内，设置保温温度200℃，进行去应力处理，从而减小开裂的可能性。

其中，步骤S3中所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W(具体根据实际过程调整),熔覆功率1000w，激光光斑直径为1mm，所述送粉器的送粉量为5g/min，所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8mm/S，搭接率为35％,本实施例中碳化钛球形粉末在熔覆过程中未熔化。

本实施例中整体硬度可以达到65HRC以上，耐磨性相比TC4钛合金提升了70％左右，厚度3mm，并且不会产生开裂现象。

实施例2

本实施例提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：

S1.钛合金基材待熔覆表面预处理：先将TC4钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹，放置在工作台上；

S2.熔覆材料配制：首先将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末在100摄氏度的烘干箱烘干，然后将碳化钛球形粉末与TC4钛合金球形粉末按照质量比40:60混合均匀，所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％，所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉末颗粒为150μm，得到混合粉末；

S3.激光熔覆：先打开氩气作为保护气，再用送粉器将步骤S2中准备好的混合粉末利用送粉器并采用氩气作为载气输送到达熔覆位置后，然后采用激光器发射激光熔化混合粉末及TC4钛合金基材，由于激光头有氩气作为保护气保护熔池，使熔覆上去的金属在冷却后保持金属光泽而不会被氧化，熔覆时机械手臂通过制定好的程序路径进行熔覆，每一道都用同样的搭接量，保证搭接平整，每一道的熔覆方向是双向往复熔覆，第一层做完后可以在上面继续做第二层，第三层、第四层等，每层厚度控制在0.3～1mm，熔覆完成后放入热处理炉内，设置保温温度200℃，进行去应力处理，从而减小开裂的可能性。

步骤S3中所述激光器为光纤激光器，激光器功率为4000W,熔覆功率2000w，激光光斑直径为5mm，所述送粉器的送粉量为20g/min，所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为12mm/S，搭接率为50％。本实施例中碳化钛球形粉末在熔覆过程中未熔化。

本实施例中整体硬度可以达到80HRC以上，耐磨性提升了100％左右，厚度3mm，并且不会产生开裂现象。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，碳化钛球形粉末与TC4钛合金球形粉末按照质量比为20:80。

本实施例中整体硬度在45HRC左右，对整体硬度的提升不大，耐磨性有一定的提升，但提升不是很高。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，碳化钛球形粉末与TC4钛合金球形粉末按照质量比为50:50。

本实施例中在进行第三层熔覆的时候发生熔覆层开裂现象，厚度只能维持在0.6～2mm。

对比例1

本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤S3中将步骤S2中准备好的混合粉平铺在TC4钛合金表面，厚度为3mm，通过激光熔覆后然后室温下快速冷却，形成一层激光熔覆层。

本对比例采用铺粉的方式进行熔覆，熔敷层厚度不能精确控制，而且薄厚不容易掌控，大约在1～2mm左右，只能实现单层熔覆，实现多层熔敷还要对表层进行处理，要重新铺粉，铺粉厚度和均匀性不好掌控。而且有可能增大开裂的可能性。

Claims (10)

1.一种钛合金表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；

S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；

S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

2.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理是指先将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。

3.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％。

4.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉末颗粒为50～150μm。

5.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S2中所述烘干是指在100摄氏度的烘干箱中完成。

6.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S3中所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W，熔覆功率为1000～2000W，激光光斑直径为1～5mm。

7.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S3中所述送粉器的送粉量为5～20g/min。

8.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S3中所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8～12mm/S，搭接率为35～50％。

9.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S3中所述逐层熔覆的每层厚度为0.3～1mm。

10.一种表面改性钛合金，其特征在于，由权利要求1～9任意一项所述钛合金表面改性方法制备得到，所述表面改性钛合金整体硬度大于65HRC，熔覆厚度1～3mm。