CN109207988A - 一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末及修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，涉及涂层修复技术领域，其技术要点在于：组成成份包括40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3；一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将TC4，Ti与Al2O3混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，涂层厚度超过原始壁厚；本发明的复合粉末较单一的TC4粉末形成涂层更加容易，利用率从60%提高到70%，节省了喷涂粉末材料成本，复合粉末较单一的TC4粉末形成涂层孔隙率更低，复合粉末相对单一的TC4粉末喷涂沉积的热量输入降低，可使薄壁结构的钛合金热致变形被最小化。
Description
技术领域
本发明涉及涂层修复技术领域，特别是涉及一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末及修复方法。
背景技术
航空领域内大量使用钛合金，TC4钛合金壁板类部件是飞机机身结构中非常关键的组成部分，维持了飞机结构外形、强度、气动性能等，为进一步减重，新型飞机开始大量使用较薄的壁板与蜂窝三明治夹心结构，壁板厚度约2mm，蜂窝厚度约10mm，壁板与蜂窝间的连接方式是钎焊，但在壁板与蜂窝焊接过程中，因焊接冷却后造成壁板表面一定程度的塌陷，形状呈操场形，尺寸约160mm×75mm，深度约0.4mm，每块后机身受损壁板凹坑数量高达几十个，这种表面有一定深度的损伤不仅影响了外观，甚至影响整个钛合金部件使用强度、安全性、隐身性等功能。
TC4钛合金薄壁板表面凹坑填补、修复是解决钛合金壁板类损伤件快捷、经济的方法。针对这种TC4轧制状态板材表面损伤，现有技术中最常用的修复材料是NiAl金属粉末，制备方案最成熟的是大气等离子喷涂，该工艺制备的NiAl粘结层与TC4钛合金粘接牢固而被使用。但该工艺修复TC4凹坑有一定限制，凹坑最大深度不超过1mm，如果修复超过1mm级的深坑，涂层容易剥落。除了对凹坑深度有限制，大气等离子喷涂工艺对薄壁板自身厚度也有限制，如果薄壁板厚度≤0.6mm，薄壁板容易在等离子焰流热致变形，造成后续矫形困难。
激光堆焊TC4钛合金粉末也是钛合金薄壁板表面凹坑、填补的另一重要方法。但由于激光光束热焓大，加上钛合金材料热导率较高，厚度较薄，修复过程中大量热量输入容易使原较薄钛合金结构受热不均然后冷却扭曲变形，造成后续外形校正难度也非常大。
综上所述，受损薄壁件对受损深度、自身壁板厚度、等离子喷涂工艺参数、激光堆焊工艺参数、薄壁板冷却装置、薄壁板夹持工装等均有严格要求。因此需要寻求工艺更加可控、操作更加简便的喷涂修复技术缓解这一问题。
随着涂层制备技术的发展，冷喷涂技术得到了广泛关注。冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，是利用高压气体(空气、氮、氦或其混合物)通过缩放管产生超音速流动，将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加速后，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层。它相比较热喷涂，颗粒在碰撞基体前处于固态，温度大大降低，且冷喷涂修复效果相对热喷涂而言，结合强度更高（70MPa）、应力更小（且为残余压应力）、孔隙率极低（0~1%）、可制备厚涂层（cm级）等优点。因此，冷喷涂修复飞机钛合金薄壁件表面凹坑具有明显的优势。
现有技术中，在TC4钛合金薄壁结构上冷喷涂制备TC4钛合金涂层也存在如下所述的技术难点：（1）钛合金薄壁结构对冷喷涂工艺要求也较为严格，冷喷涂工艺参数控制不当也容易变形；（2）以往在镁合金、铝合金、铜合金这些软合金基体上冷喷涂制备相应的金属涂层较为成熟，但钛合金基体硬度、杨氏模量较镁合金、铝合金、铜合金等高，因此在硬度、杨氏模量高的钛合金上制备硬度高的钛合金涂层就比较困难，涂层孔隙率通常大于1%，甚至高达20%以上，影响了涂层结合强度、硬度及其他力学性能。如中国申请号CN200710017689.9的专利公开了一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺，得到孔隙率在30％～65％的多孔钛涂层。这种生物涂层可用于制造表层为多孔钛的承力硬组织种植体，如人工关节、人工骨骼等，但应用于航空工业受力部件修复并不适合，因此钛合金涂层最大缺点—孔隙高影响了钛合金薄壁板材修复效果；（3）粉末粒度、化学成份组成等性能直接影响制备涂层的内部微观结构和宏观力学性能等，但目前国内的冷喷涂粉末制备工艺还不成熟、粉末粒度分配还不合理，粉末化学配比等探索还不充分，粉末特性对冷喷涂工艺适应性研究还需加强；（4）冷喷涂制备的涂层由于沉积过程中飞行粒子对已沉积涂层剧烈的夯实作用，造成修复涂层韧性较差，抵抗震动等工况能力较差。
现有技术中，在钛合金上制备孔隙率低于1%的钛合金涂层较为困难，大于1%的孔隙率降低了涂层机械力学性能，影响了薄壁修复件合格率和工程应用效果。而以往解决方案通常是在钛合金基体上采用高温高压N2或者中温中压He这两种方法喷涂钛合金粉末以降低钛合金涂层孔隙率。前者热量输入高造成薄壁结构基体受热容易变形且涂层孔隙率依然在1~3%左右；后者采用了中温中压He制备的钛合金涂层孔隙率虽然得到进一步降低，但孔隙率依然很难＜0.3%，孔隙率还有进一步降低的空间。因此为进一步降低涂层孔隙率，以往报道通常采用增加He气体压强、温度或者同时增加气体压强、温度来达到这一目的，但这样依然很可能造成薄壁钛合金构件的受热受力变形，或者增加薄壁件喷涂过程中冷却、装夹固定成本，即增加了薄壁结构样件修复过程变形控制难度。所以，需要更加有效的制备低孔隙率、工艺实现更加容易的钛合金薄壁件凹坑修复解决方案。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末及修复方法。
一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，组成成份包括40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3。
进一步地，TC4的平均粒径小于20μm。
进一步地，Ti的平均粒径小于20μm。
进一步地，Al2O3的平均粒径小于20μm。
一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将TC4，Ti与Al2O3混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，涂层厚度超过原始壁厚。
进一步地，修复涂层的原料组成为40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm。
进一步地，混合粉末的组成成份为40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3。
进一步地，喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为0.6～1MPa，喷涂温度为300℃～600℃，喷涂距离为10～30mm。
进一步地，涂层沉积后，对钛合金薄壁板部件进行热处理，热处理时，整体或局部施加到修复区实现部件及修理材料希望的塑韧性，热处理在空气或真空炉中加热到500℃~900℃，保持时间1～2h。
进一步地，热处理后，对已修复完成的钛合金薄壁件，根据受损件原尺寸及表面粗糙度的要求，对表面钛合金涂层进行机加、磨削、抛光加工。
本发明的优点：
1、复合粉末较单一的TC4粉末形成涂层更加容易，利用率从60%提高到70%，节省了喷涂粉末材料成本；
2、复合粉末较单一的TC4粉末形成涂层孔隙率更低；
3、复合粉末较单一的TC4粉末形成的涂层硬度和塑性也更加匹配；
4、复合粉末相对单一的TC4粉末喷涂沉积的热量输入降低，可使薄壁结构的钛合金热致变形被最小化。
附图说明
图1为钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末的示意图；
图2为修复过程图；
图3为钛合金薄壁受损件修复完成后的示意图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图1-3所示，一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，组成成份包括70wt%的TC4、29wt%的Ti、1wt%的Al2O3，TC4的平均粒径为2μm，Ti的平均粒径为2μm，Al2O3的平均粒径为2μm。
一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将混合粉末的组成成份为70wt%的TC4、29wt%的Ti、1wt%的Al2O3的混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，修复涂层的原料组成为70wt%的TC4、29wt%的Ti、1wt%的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm，涂层厚度超过原始壁厚。喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为0.6MPa，喷涂温度为300℃，喷涂距离为10mm。
得到涂层后，测定涂层的孔隙率，其孔隙率为0.2%；采用显微硬度计测量涂层的硬度值为1450HV0.3。
实施例2
如图1-3所示，一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，组成成份包括40wt%的TC4、50wt%的Ti、10wt%的Al2O3，TC4的平均粒径为8μm，Ti的平均粒径为8μm，Al2O3的平均粒径为7μm。
一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将混合粉末的组成成份为40wt%的TC4、50wt%的Ti、10wt%的Al2O3的混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，修复涂层的原料组成为40wt%的TC4、50wt%的Ti、10wt%的Al2O3的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm，涂层厚度超过原始壁厚。喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为0.8 MPa，喷涂温度为400℃，喷涂距离为18mm。
涂层沉积后，对钛合金薄壁板部件进行热处理，热处理时，整体或局部施加到修复区实现部件及修理材料希望的塑韧性，热处理在空气或真空炉中加热到500℃，保持时间1h。
得到涂层后，测定涂层的孔隙率，其孔隙率为0.16%；采用显微硬度计测量涂层的硬度值为1550HV0.3。
实施例3
如图1-3所示，一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，组成成份包括50wt%的TC4、46wt%的Ti、4wt%的Al2O3，TC4的平均粒径为20μm，Ti的平均粒径为14μm，Al2O3的平均粒径为20μm。
一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将混合粉末的组成成份为50wt%的TC4、46wt%的Ti、4wt%的Al2O3的混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，修复涂层的原料组成为50wt%的TC4、46wt%的Ti、4wt%的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm，涂层厚度超过原始壁厚。喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为0.9MPa，喷涂温度为500℃，喷涂距离为24mm。
涂层沉积后，对钛合金薄壁板部件进行热处理，热处理时，整体或局部施加到修复区实现部件及修理材料希望的塑韧性，热处理在空气或真空炉中加热到900℃，保持时间2h。热处理后，对已修复完成的钛合金薄壁件，根据受损件原尺寸及表面粗糙度的要求，对表面钛合金涂层进行机加、磨削、抛光加工。
得到涂层后，测定涂层的孔隙率，其孔隙率为0.13%；采用显微硬度计测量涂层的硬度值为1650HV0.3。
实施例4
如图1-3所示，一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，组成成份包括60wt%的TC4、33wt%的Ti、7wt%的Al2O3，TC4的平均粒径为20μm，Ti的平均粒径为20μm，Al2O3的平均粒径为20μm。
一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，以He为载气，将混合粉末的组成成份为60wt%的TC4、33wt%的Ti、7wt%的Al2O3的混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，修复涂层的原料组成为60wt%的TC4、33wt%的Ti、7wt%的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm，涂层厚度超过原始壁厚。喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为1MPa，喷涂温度为600℃，喷涂距离为30mm。
得到涂层后，测定涂层的孔隙率，其孔隙率为0.1%；采用显微硬度计测量涂层的硬度值为1147HV0.3。
本发明涉及的钛合金薄壁件修复粉末材料包括TC4粉末但不限于TC4粉末，构件包括但不限于薄壁板，钛合金壁板材料为TC4钛合金但不限于TC4钛合金。
TC4-Ti-Al2O3复合粉末的应用具有良好的喷涂工艺适应性，使制备的涂层孔隙率更低，喷涂关键工艺参数一定程度的降低，减轻了薄壁板受热和气体压强冲击变形程度，而且制备出钛合金涂层的硬度、塑韧性得到优化组合，使钛合金修复件能满足一个工作寿命需求。本发明可对2～5mm厚度这样的飞机钛合金薄壁板表面损伤、凹坑处进行修复，且修复工艺简单，设备便携，可现场进行作业，节省受损件拆卸、运费成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，其特征在于：组成成份包括40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3。
2.如权利要求1所述的一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，其特征在于：TC4的平均粒径小于20μm。
3.如权利要求1所述的一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，其特征在于：Ti的平均粒径小于20μm。
4.如权利要求1所述的一种钛合金薄壁件表面损伤修复用冷喷涂粉末，其特征在于：Al2O3的平均粒径小于20μm。
5.一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：以He为载气，将TC4，Ti与Al2O3混合粉末冷喷涂于钛合金薄壁板受损表面处，得到修复涂层，涂层厚度超过原始壁厚。
6.如权利要求5所述的一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：修复涂层的原料组成为40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3，TC4-Ti-Al2O3涂层孔隙率不大于0.3%，TC4-Ti-Al2O3涂层厚度不低于5mm。
7.如权利要求5所述的一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：混合粉末的组成成份为40~70wt%的TC4、29~50wt%的Ti、1~10wt%的Al2O3。
8.如权利要求5所述的一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：喷涂过程中，薄壁板本体温度小于150℃，He工作气体压强为0.6～1MPa，喷涂温度为300℃～600℃，喷涂距离为10～30mm。
9.如权利要求5所述的一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：涂层沉积后，对钛合金薄壁板部件进行热处理，热处理时，整体或局部施加到修复区实现部件及修理材料希望的塑韧性，热处理在空气或真空炉中加热到500℃~900℃，保持时间1～2h。
10.如权利要求9所述的一种钛合金薄壁件表面损伤的修复方法，其特征在于：热处理后，对已修复完成的钛合金薄壁件，根据受损件原尺寸及表面粗糙度的要求，对表面钛合金涂层进行机加、磨削、抛光加工。
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