CN109518181A - 一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 45～60％，Al 25～35％，Si 10～20％，高熔点碳化物5～15％，所述高熔点碳化物为WC和Zr2C中的任意一种，以及一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为0.5～1mm，然后风干；(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。本发明制得的激光熔覆层的耐磨性能好，硬度高，涂层的熔点高，可以适应较高温度的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金以其密度小、比强度高、耐蚀性能好等优点，在航空航天和石油化工等工业领域被广泛应用。然而钛合金硬度低、耐磨性差等缺点限制了它的进一步应用。激光熔覆技术，作为一种金属材料表面改性技术，是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面添加涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，快速凝固后形成与基体材料成冶金结合的表面涂层的技术，激光熔覆可以有效提高钛合金的表面性能，从而扩大其使用范围。
目前钛合金表面激光熔覆材料一般采用金属/陶瓷复合材料体系，该复合体系能显著降低熔覆层中的残余应力，减少熔覆层中出现微裂纹的倾向，易于获得性能优异的激光熔覆层。因此，熔覆材料和熔覆体系的选择对于钛合金材料的表面改性是非常关键的，而目前钛合金激光熔覆涂层的选择没有较好的依据，硬度不够高，且涂层的熔点低，不能适应较高温度的工作环境。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层及其制备方法，制得的激光熔覆层耐磨性能好，硬度高，涂层的熔点高，可以适应较高温度的工作环境。
本发明采用的技术方案如下：
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 45～60％，Al 25～35％，Si 10～20％，高熔点碳化物5～15％。
优选地，所述高熔点碳化物为WC和Zr2C中的任意一种。
优选地，所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为0.5～1mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
优选地，步骤(3)中激光扫描的功率为500～600W，激光的扫描速度为15～18mm/min，离焦量35～45mm，吹氩气保护，保护气压为0.3～0.4MPa，激光光斑直径为3mm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明在熔覆粉末中引入适量的高熔点碳化物WC或Zr2C，将此复合材料体系作为熔覆材料，在钛合金表面进行激光熔覆，同时碳化物在熔覆过程还会生成硬质相物质，可以提高激光熔覆层的硬度，改善激光熔覆层的耐磨性能。
2.本发明中WC或Zr2C的高熔点特性可以提高激光熔覆层的熔点，以适应较高温度的工作环境，进而极大地改善了钛合金零部件的高温耐磨性及硬度、扩大了钛合金零部件的适用范围。
3.本发明中激光熔覆层具有较少的气泡与裂纹，涂层组织均匀、致密，涂层与基体的结合性能较好，缺陷较少，大大提高了涂层的的稳定性和力学性能。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实施例1的激光熔覆层显微组织形貌；
图2是实施例3的激光熔覆层显微组织形貌；
图3是实施例1的熔覆层摩擦系数曲线；
图4是实施例3的熔覆层摩擦系数曲线；
图5是实施例1的熔覆层XRD分析结果；
图6是实施例3的熔覆层XRD分析结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 45％，Al 30％，Si 20％，WC 5％。
所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为0.5mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
步骤(3)中激光扫描的功率为500W，激光的扫描速度为15mm/min，离焦量35mm，吹氩气保护，保护气压为0.3MPa，激光光斑直径为3mm。
用Cari-Zeiss Sigma-300扫描电子显微镜拍摄激光熔覆层显微组织形貌，所用的腐蚀液的体积比为HF：HNO3：H2O＝1：1：10，通过观察激光熔覆层显微组织形貌，发现基体和熔覆层的结合较好，没有出现明显的缺陷，涂层组织均匀且致密，没有看到气泡与裂纹。
使用高频往复摩擦磨损试验机对熔覆样品进行试验，磨轮材料为GCr15，载荷为8N，频率为5Hz，冲程为5mm，实验时间6min。在摩擦实验过程中，熔覆层先进入跑和阶段，然后进入稳定摩擦阶段。从实验数据上看，摩擦系数较小为0.367，摩擦前后的失重率为0.08％，失重率非常小，由此可见该激光熔覆层的耐磨性能好。
用THVS-M-AD数显维氏显微硬度仪，加载实验力30公斤，保载时间10s，测得样品的维氏硬度为370，具有较高的硬度。
因WC和Zr2C的熔点很高，样品经高温试验测得可耐高温550℃。
X射线衍射(XRD)分析结果表明，激光熔覆后得到的复合陶瓷涂层的显微组织为TiC、SiC、TiSi、TiSi2和W2C等陶瓷相和Al3Ti等金属间化合物。
实施例2
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 55％，Al 20％，Si 10％，WC 15％。
所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为1mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
步骤(3)中激光扫描的功率为600W，激光的扫描速度为18mm/min，离焦量45mm，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光光斑直径为3mm。
使用高频往复摩擦磨损试验机对熔覆样品进行试验，磨轮材料为GCr15，载荷为8N，频率为5Hz，冲程为5mm，实验时间6min。在摩擦实验过程中，熔覆层先进入跑和阶段，然后进入稳定摩擦阶段。从实验数据上看，摩擦系数较小为0.358，摩擦前后的失重率为0.07％，失重率非常小，由此可见该激光熔覆层的耐磨性能好。
用THVS-M-AD数显维氏显微硬度仪，加载实验力30公斤，保载时间10s，测得样品的维氏硬度为360，具有较高的硬度。
因WC和Zr2C的熔点很高，样品经高温试验测得可耐高温550℃。
实施例3
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 45％，Al 30％，Si 20％，Zr2C 5％。
所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为0.5mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
步骤(3)中激光扫描的功率为500W，激光的扫描速度为15mm/min，离焦量35mm，吹氩气保护，保护气压为0.3MPa，激光光斑直径为3mm。
用Cari-Zeiss Sigma-300扫描电子显微镜拍摄激光熔覆层显微组织形貌，所用的腐蚀液的体积比为HF：HNO3：H2O＝1：1：10，通过观察激光熔覆层显微组织形貌，发现基体和熔覆层的结合较好，没有出现明显的缺陷，涂层组织均匀且致密，没有看到气泡与裂纹。
使用高频往复摩擦磨损试验机对熔覆样品进行试验，磨轮材料为GCr15，载荷为8N，频率为5Hz，冲程为5mm，实验时间6min。在摩擦实验过程中，熔覆层先进入跑和阶段，然后进入稳定摩擦阶段。从实验数据上看，摩擦系数较小为0.370，摩擦前后的失重率为0.075％，失重率非常小，由此可见该激光熔覆层的耐磨性能好。
用THVS-M-AD数显维氏显微硬度仪，加载实验力30公斤，保载时间10s，测得样品的维氏硬度为363，具有较高的硬度。
因WC和Zr2C的熔点很高，样品经高温试验测得可耐高温550℃。
X射线衍射(XRD)分析结果表明，激光熔覆后得到的复合陶瓷涂层的显微组织为TiC、Al4C3、SiC、Al2Si等陶瓷相和Al3Ti等金属间化合物。
实施例4
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 55％，Al 20％，Si 10％，Zr2C 15％。
所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为1mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
步骤(3)中激光扫描的功率为600W，激光的扫描速度为18mm/min，离焦量45mm，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光光斑直径为3mm。
使用高频往复摩擦磨损试验机对熔覆样品进行试验，磨轮材料为GCr15，载荷为8N，频率为5Hz，冲程为5mm，实验时间6min。在摩擦实验过程中，熔覆层先进入跑和阶段，然后进入稳定摩擦阶段。从实验数据上看，摩擦系数较小为0.376，摩擦前后的失重率为0.079％，失重率非常小，由此可见该激光熔覆层的耐磨性能好。
用THVS-M-AD数显维氏显微硬度仪，加载实验力30公斤，保载时间10s，测得样品的维氏硬度为368，具有较高的硬度。
因WC和Zr2C的熔点很高，样品经高温试验测得可耐高温550℃。
Claims (5)
1.一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，其特征在于，所述复合涂层主要由熔覆粉末组成，所述熔覆粉末包括以下质量百分数的物质：Ti 45～60％，Al 25～35％，Si 10～20％，高熔点碳化物5～15％。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，其特征在于，所述高熔点碳化物为WC和Zr2C中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层，其特征在于，所述Ti，Al和Si纯度均≥99.99％，颗粒大小均为300目。
4.制备权利要求1～3任一项所述的一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将熔覆粉末用球磨机均匀混合，混合粉末用水玻璃溶液调成糊状，将其均匀涂敷于清洁过的钛合金表面，涂层的厚度为0.5～1mm，然后风干；
(2)钛合金表面用砂纸打磨，清水冲洗，用丙酮浸泡2小时后再用酒精将表面冲洗干净，吹干待用；
(3)对钛合金表面的涂层进行激光熔覆。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金表面硬质陶瓷复合涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中激光扫描的功率为500～600W，激光的扫描速度为15～18mm/min，离焦量35～45mm，吹氩气保护，保护气压为0.3～0.4MPa，激光光斑直径为3mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN113215567A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-08-06 | 成都航空职业技术学院 | 一种提高TA15钛合金表面Ti-Al涂层结合力的方法及制备的涂层 |
| CN113215567B (zh) * | 2021-05-08 | 2023-01-24 | 成都航空职业技术学院 | 一种提高TA15钛合金表面Ti-Al涂层结合力的方法及制备的涂层 |
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