CN111058038A - 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法 - Google Patents

一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111058038A
CN111058038A CN201911421436.7A CN201911421436A CN111058038A CN 111058038 A CN111058038 A CN 111058038A CN 201911421436 A CN201911421436 A CN 201911421436A CN 111058038 A CN111058038 A CN 111058038A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
titanium alloy
molten pool
wear resistance
parameters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911421436.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111058038B (zh
Inventor
李聪
陈汪林
谢盼
陈荐
朱磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changsha University of Science and Technology
Original Assignee
Changsha University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changsha University of Science and Technology filed Critical Changsha University of Science and Technology
Priority to CN201911421436.7A priority Critical patent/CN111058038B/zh
Publication of CN111058038A publication Critical patent/CN111058038A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111058038B publication Critical patent/CN111058038B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only

Abstract

一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，首先对激光3D打印工艺窗口进行初步优化；利用有限元传热模型对初步优化参数下熔池三维温度场进行计算，获得熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池温度曲线峰值温度Tmax、温度曲线与液相线及固相线的截距之和的平均值t，计算熔池冷却阶段平均冷却速率ξ；根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×103℃/s≤ξ≤2.8×104℃/s原则对工艺参数进行优化，获得的优化工艺窗口：在优化工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得致密、高冶金质量的表面渗锆改性层，本发明能有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。

Description

一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天、机械及化工等领域。然而，由于钛合金表面硬度低、耐磨性差，限制了钛合金的进一步广泛应用。
钛合金表面渗锆可以有效提高表面耐磨性。如姜爱龙等人为提高TC11钛合金的表面硬度及耐磨性，采用双层辉光等离子渗金属技术对钛合金表面进行了渗锆处理。其结果表明，渗层厚度约为25μm，且渗锆层组织均匀，主要由α-Ti相组成。吴红艳等人采用该技术在TC4钛合金表面制备渗锆层，发现渗锆层的组织连续、均匀、致密，与基体结合良好，锆含量由表层向基体内部呈梯度分布；渗锆层的摩擦因数和比磨损率约为TC4钛合金基体的45.9%和13.6%，摩擦磨损性能明显提高。
激光具有高汇聚性、高能量密度及热影响区小等特点，被广泛应用于钛合金表面改性，如激光表面熔凝、激光熔覆及激光表面合金化等。近年来，钛合金表面激光渗锆的研究引起学者的关注，但与其它技术相比，其改性效果仍有待进一步提高，尤其是改性层的硬度及其耐磨性。究其原因，主要是激光渗锆过程中冶金缺陷及凝固组织需要严格控制，然而，现有方法针对上述问题仍缺乏有效手段。本发明提出方法可克服上述难题，能有效提高钛合金表面激光渗锆改性层的硬度及耐磨性。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法。
一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，包括以下步骤：
步骤一：将激光器设置为连续激光输出模式，对激光渗锆工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口：激光光斑直径1.5~3.5mm，离焦量-2.0mm，激光峰值功率为600～900W，扫描速度为6～15mm/s，送粉量为3～7g/min；
步骤二：任意选取一组初步优化的工艺参数，利用有限元传热模型对该参数下熔池三维温度场进行计算，提取沉积层中部位置点所经历的温度变化曲线，即熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池定点温度变化曲线的波峰温度Tmax，计算熔池定点温度变化曲线与钛合金液相线的截距t，再对熔池定点温度变化曲线右侧温度下降部分进行求导，计算出导数的平均值ξ，即获得熔池平均冷却速率ξ，其中Tmax、t及ξ的单位分别为℃、s及℃/s；
步骤三：根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×103℃/s≤ξ≤2.8×104℃/s原则对对激光光斑直径、激光功率、离焦量、扫描速度及送粉量等工艺参数进行优化，其中Tm为钛合金熔点；
步骤四：按上述各个参数的由小至大顺序重复步骤二至步骤三，直到完成所有工艺参数匹配，获得的优化工艺窗口：激光光斑直径2.0~3.5mm，激光功率为600～850W，离焦量-2.0mm，扫描速度为7～13mm/s，送粉量为4～7g/min；
步骤五：按上述工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得高质量的表面渗锆改性层，有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。
所述钛合金包括α钛合金、α+β钛合金及β钛合金。
在步骤四中，所述的工艺窗口的扫描路径为单向路径或双向路径。
在本发明获得的优化工艺窗口：激光光斑直径2.0~3.5mm，激光功率为600～850W，离焦量-2.0mm，扫描速度为7～13mm/s，送粉量为4～7g/min；进行激光表面渗锆处理，获得高质量的表面渗锆改性层，有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。
附图说明
图1为本发明获得的钛合金表面激光渗锆试样的金相图；
图2为采用已有方法所获得的钛合金表面激光渗锆试样的金相图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，包括以下步骤：
步骤一：将激光器设置为连续激光输出模式，对激光渗锆工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口：激光光斑直径1.5~3.5mm，离焦量-2.0mm，激光峰值功率为600～900W，扫描速度为6～15mm/s，送粉量为3～7g/min；
步骤二：任意选取一组初步优化的工艺参数，利用有限元传热模型对该参数下熔池三维温度场进行计算，提取沉积层中部位置点所经历的温度变化曲线，即熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池定点温度变化曲线的波峰温度Tmax，计算熔池定点温度变化曲线与钛合金液相线的截距t，再对熔池定点温度变化曲线右侧温度下降部分进行求导，计算出导数的平均值ξ，即获得熔池平均冷却速率ξ，其中Tmax、t及ξ的单位分别为℃、s及℃/s；
步骤三：根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×103℃/s≤ξ≤2.8×104℃/s原则对对激光光斑直径、激光功率、离焦量、扫描速度及送粉量等工艺参数进行优化，其中Tm为钛合金熔点；
步骤四：按上述各个参数的由小至大顺序重复步骤二至步骤三，直到完成所有工艺参数匹配，获得的优化工艺窗口：激光光斑直径2.0~3.5mm，激光功率为600～850W，离焦量-2.0mm，扫描速度为7～13mm/s，送粉量为4～7g/min；
步骤五：按上述工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得高质量的表面渗锆改性层，有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。
图1为所获得的钛合金表面激光渗锆试样的金相图。从图中可以看出，采用本专利方法获得的改性层压痕明显减小，硬度为8.2Gpa，磨损量为0.45mg。与已有方法相比，本专利方法能显著提升硬度及提高耐磨性。这主要是因为，采用本专利方法，一方面能保证锆颗粒的充分熔化(250ms≤t≤450ms)，并凝固后固溶于钛合金基体中，增强固溶强化效果；另一方面，由于熔池快的冷却速率(3.5×103℃/s≤ξ≤2.8×104℃/s)，可以有效细化钛合金凝固组织，提高细晶强化效果。上述结果表明，采用本专利方法可以有效地提高钛合金表面硬度与耐磨性。
图2为采用已有方法所获得的钛合金表面激光渗锆试样的金相图，压痕较大，其硬度为5.6Gpa，磨损量为0.84mg。

Claims (3)

1.一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将激光器设置为连续激光输出模式，对激光渗锆工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口：激光光斑直径1.5~3.5mm，离焦量-2.0mm，激光峰值功率为600～900W，扫描速度为6～15mm/s，送粉量为3~7g/min；
步骤二：任意选取一组初步优化的工艺参数，利用有限元传热模型对该参数下熔池三维温度场进行计算，提取沉积层中部位置点所经历的温度变化曲线，即熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池定点温度变化曲线的波峰温度Tmax，计算熔池定点温度变化曲线与钛合金液相线的截距t，再对熔池定点温度变化曲线右侧温度下降部分进行求导，计算出导数的平均值ξ，即获得熔池平均冷却速率ξ，其中Tmax、t及ξ的单位分别为℃、s及℃/s；
步骤三：根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×103℃/s≤ξ≤2.8×104℃/s原则对对激光光斑直径、激光功率、离焦量、扫描速度及送粉量等工艺参数进行优化，其中Tm为钛合金熔点；
步骤四：按上述各个参数的由小至大顺序重复步骤二至步骤三，直到完成所有工艺参数匹配，获得的优化工艺窗口：激光光斑直径2.0~3.5mm，激光功率为600～850W，离焦量-2.0mm，扫描速度为7～13mm/s，送粉量为4～7g/min；
步骤五：按上述工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得高质量的表面渗锆改性层，有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，其特征在于：所述钛合金包括α钛合金、α+β钛合金及β钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，其特征在于：在步骤四中，所述的工艺窗口的扫描路径为单向路径或双向路径。
CN201911421436.7A 2019-12-31 2019-12-31 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法 Active CN111058038B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911421436.7A CN111058038B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911421436.7A CN111058038B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111058038A true CN111058038A (zh) 2020-04-24
CN111058038B CN111058038B (zh) 2021-06-01

Family

ID=70306135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911421436.7A Active CN111058038B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111058038B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112548103A (zh) * 2020-12-23 2021-03-26 长沙理工大学 一种钛合金激光增材修复与表面渗氮复合处理工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011124937A1 (en) * 2009-07-07 2011-10-13 Eurocoating S.P.A. Laser process for producing metallic objects, and object obtained therefrom
CN104561995A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 浙江工业大学 一种具有球形颗粒增强的钛合金激光强化涂层
CN105018925A (zh) * 2015-07-03 2015-11-04 上海交通大学 激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法
CN108754373A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 湖南大学 一种实现钛合金表面晶粒形态调控的脉冲激光表面熔凝方法
CN109797360A (zh) * 2019-03-14 2019-05-24 太原理工大学 一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011124937A1 (en) * 2009-07-07 2011-10-13 Eurocoating S.P.A. Laser process for producing metallic objects, and object obtained therefrom
CN104561995A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 浙江工业大学 一种具有球形颗粒增强的钛合金激光强化涂层
CN105018925A (zh) * 2015-07-03 2015-11-04 上海交通大学 激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法
CN108754373A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 湖南大学 一种实现钛合金表面晶粒形态调控的脉冲激光表面熔凝方法
CN109797360A (zh) * 2019-03-14 2019-05-24 太原理工大学 一种提高钛合金表面耐磨性的处理方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112548103A (zh) * 2020-12-23 2021-03-26 长沙理工大学 一种钛合金激光增材修复与表面渗氮复合处理工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN111058038B (zh) 2021-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sing et al. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Intermetallic phase formation between AlSi10Mg and C18400 copper alloy
Liu et al. Microstructure and mechanical properties of LMD–SLM hybrid forming Ti6Al4V alloy
CN109072344B (zh) 钛、铝、钒和铁的bcc材料及由其制成的产品
Jing et al. Defects, densification mechanism and mechanical properties of 300M steel deposited by high power selective laser melting
Javid Multi-response optimization in laser cladding process of WC powder on Inconel 718
Olakanmi et al. Multi-variable optimisation of the quality characteristics of fiber-laser cladded Inconel-625 composite coatings
JP2021505760A (ja) 急速凝固法用の高強度アルミニウム合金
Gamon et al. Microstructure and hardness comparison of as-built Inconel 625 alloy following various additive manufacturing processes
Liu et al. High power laser powder bed fusion of AlSi10Mg alloy: Effect of layer thickness on defect, microstructure and mechanical property
Zhou et al. Enhanced micro-hardness and wear resistance of Al-15Si/TiC fabricated by selective laser melting
Chong et al. Enhanced wear and corrosion resistances of AlCoCrFeNi high-entropy alloy coatings via high-speed laser cladding
CN111560611A (zh) 一种钛合金表面激光熔覆制备镍基涂层的过渡层方法
CN111058038B (zh) 一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法
Erinosho et al. Influence of processing parameters on laser metal deposited copper and titanium alloy composites
CN110904405B (zh) 一种提高钛合金表面激光渗锆改性层冶金质量的方法
Gu et al. Laser lap welding of TC4 titanium alloy to 6082 aluminum alloy using a CoNiCuNb0. 5 V1. 5 high entropy alloy filler
Chen et al. The effect of laser energy density on microstructural evolution and mechanical properties of laser clad 316L stainless steel for repair
Huang et al. Effect of welding wires containing ZrB2 particles on microstructure and mechanical properties of spray-formed 7055 aluminum alloy TIG welded joints
Zheng et al. Effects of laser power on the microstructure and mechanical properties of 316L stainless steel prepared by selective laser melting
AU2021102393A4 (en) Surface Zirconizing Method for Improving Surface Hardness and Wear Resistance of Titanium Alloy
Aliprandi et al. Creep behavior of Ti-6Al-4V alloy specimens produced by Electron Beam Melting
Thi-Hong Effects of process parameters on geometrical characteristics and microstructure of TiC particle-reinforced Co50 alloy by laser cladding
Pushparaj et al. Taguchi-based artificial neural network modeling of friction process on aluminum alloy reinforced with SiC nanoparticles
Zhang et al. Effect of ultrasonic high-frequency percussion on the microstructure and corrosion resistance of Fe-based alloy coatings by high-speed laser cladding
Stalin et al. Parametric optimization and abrasive water jet drilling on bronze metal matrix composite

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant