CN111074269A

CN111074269A - 一种钛合金耐磨涂层及其制备方法

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Publication number: CN111074269A
Application number: CN202010002188.9A
Authority: CN
Inventors: 杜菲菲; 李雪辰; 史金鑫; 王若思
Original assignee: Shenyang Titanium Equipment Manufacturing Co ltd
Current assignee: Shenyang Titanium Equipment Manufacturing Co ltd
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明涉及一种钛合金耐磨涂层及其制备方法，包括以下步骤：依次将至少一种过渡金属粉末及高耐磨镍基合金粉末在钛合金基材上进行激光熔敷，所述高耐磨镍基合金粉末由Ni、C、Cr、W、Mo、Fe、Si组成，所述过渡金属选自VB、VIIIB和IB族元素中的一种或多种。本发明将过渡金属和高耐磨镍基合金采用激光熔敷于钛合金基体表面，提高钛合金的耐磨性，经摩擦磨损试验验证耐磨性比普通钛合金材料提高3倍，且HRC值均在60HRC以上，能够满足钛合金特殊耐磨领域的应用需求。

Description

一种钛合金耐磨涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金涂层技术领域，特别涉及一种钛合金耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金具有比重轻、比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好，在部分工业、航空、海洋等领域据有广泛的应用，但钛合金有极不稳定的高摩擦系数，严重的粘着磨损性，耐磨性差，这样的性能特点已经局限了钛合金在动态受力的情况下的使用。通过激光表面合金化，伴随着深度渗氧或是渗氮可以提高钛合金表面硬度，但无法改善钛合金的耐滑动摩擦性能(除非钛合金表面出现了氮化钛或是氧化钛等陶瓷层)。同样的，纳米结晶可以提高钛合金的强度和硬度，但无法增强钛合金的耐磨性。这些实验都表明了，不同的工艺可以提高钛合金的表面硬度，但是无法改变钛合金本身的性质。所以，钛合金的粘附磨损性能取决于钛合金本身，无法通过增强硬度来提高耐磨性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种钛合金耐磨涂层及其制备方法。

本发明的目的之一在于提供一种钛合金耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：依次将至少一种过渡金属粉末及高耐磨镍基合金粉末在钛合金基材上进行激光熔敷，所述高耐磨镍基合金粉末由Ni、C、Cr、W、Mo、Fe、Si组成，所述过渡金属选自VB、VIIIB和IB族元素中的一种或多种。

根据本发明的一些优选实施方式，所述高耐磨镍基合金粉末中各种成分的重量百分比为：Ni 50.92～65.48％、C 1.19～2.29％、Cr 10.5～13.5％、W 9.39～28.16％、Mo0.07～0.09％、Fe2.8～3.6％、Si3.1～3.87％，优选为Ni 58.2～61.84％、C 1.47～1.74％、Cr 12～12.75％、W 14.08～18.78％、Mo 0.08～0.085％、Fe3.2～3.4％、Si3.44～3.65％。本发明中，通过对钛合金产品需要做耐磨的区域按区域位置及形状特点预留一定深度的凹槽，并根据具体工况选用合适的表面耐磨材料，本发明仅针对激光熔覆镍基耐磨合金粉末做研究。Ni与Ti的原子半径相差较大，相互扩散能力较强，Ti和Ni会形成NiTi金属间化合物，金属间化合物的形成和长大，而使接头性能下降。同时两者的线膨胀系数相差较大，焊后应力大，容易导致焊后开裂。因此在钛合金表面焊接镍基合金需采用金属元素过渡的方式焊接。钛与铌能形成固溶体，焊接性好。因此第一层采用纯铌层过渡。铌和铜形成复杂金属间化合物，焊接性尚可，因此第二层采用纯铜层过渡。同时铜与镍可形成完全固溶体，铜镍焊接性非常好，最表面激光熔覆镍基合金粉末，硬度可达60HRC以上，作为功能层使用厚度约1mm。

根据本发明的一些优选实施方式，所述过渡金属选自铜、铌、钒、镍、铁和银中的一种或多种；优选为铌和铜。

根据本发明的一些优选实施方式，在所述钛合金基材表面依次熔覆纯铌、纯铜及功能镍基合金层；和/或，所述高耐磨镍基合金粉末为过100～270目筛分的微粉，优选为球状，和/或，粒径50～150μm。

根据本发明的一些优选实施方式，包括以下步骤：

步骤1)，焊粉配制：按比例配制所述高耐磨镍基合金粉末，充分混合后烘干；

步骤2)，基材准备：对所述钛合金基材进行预处理后备用；

步骤3)，激光熔敷：将铌粉、铜粉、所述高耐磨镍基合金粉末和所述钛合金基材置于激光器中，进行激光熔敷，在钛合金表面依次熔覆纯铌、纯铜及功能镍基合金层；

步骤4)，去应力处理：对熔敷完的钛合金零件进行去应力退火处理；

步骤5)，精加工：将去应力退火后的钛合金零件进行精加工处理。

根据本发明的一些优选实施方式，步骤1)中，将所述高耐磨镍基合金粉末的原料进行筛分，优选为80～325目，更优选为100～200目；和/或，在100～200℃优选120℃高温下烘干1～2h优选2h。

根据本发明的一些优选实施方式，步骤2)中，所述预处理为打磨、抛光、除油、清洗和烘干处理；和/或，步骤3)中，将所述钛合金基材置于保护系统中，进行抽真空及充氩处理；优选控制所述保护系统的氧含量小于50ppm和水含量小于50ppm。

根据本发明的一些优选实施方式，步骤3)中，进行激光熔敷前对所述钛合金基材进行预热处理，温度为200～300℃，时间为1～2h优选1h；和/或，所述激光器为Laserliner4000W光纤耦合半导体激光器，优选的，所述激光器的工艺参数为：纯铌层采用波长1064nm；输出功率2800～3600W优选3200W；光斑直径4mm；扫描速度10～20mm/s优选10mm/s，纯铜层采用波长1064nm；输出功率3200～4000W优选3800W；光斑直径4mm；扫描速度5～10mm/s优选8mm/s，功能镍基合金层采用波长1064nm；输出功率3200～3800W优选3400W；光斑直径4mm；扫描速度5～8mm/s优选6mm/s，采用单道或多道焊接。

根据本发明的一些优选实施方式，步骤4)中，所述去应力退火处理为在马弗炉中以10～30℃/min优选20℃/min的速度升温至600～720℃优选650℃，保持1～2h优选1h，然后随炉冷却。

本发明另一方面提供一种所述方法制备的钛合金耐磨涂层。

本发明的有益效果至少在于：本发明将过渡金属和高耐磨镍基合金采用激光熔敷于钛合金基体表面，提高钛合金的耐磨性，经摩擦磨损试验验证耐磨性比普通钛合金材料提高3倍，且HRC值均在60HRC以上，能够满足钛合金特殊耐磨领域的应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例3所提供的耐磨涂层的光学显微镜的金相图(其中1和2分别对应50倍、100倍)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合，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。

本发明中，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。本发明中所用的化工原料均可在国内化工产品市场方便买到。

实施例1

本实施例提供在钛合金光学摆杆表面熔敷耐磨层，在钛合金光学摆杆表面熔敷三层，其中纯铌和纯铜层为过渡层，表面层为镍基硬质合金功能涂层，具体包括以下步骤：

焊粉主要成分：Ni 61.8％、C1.74％、Cr 12.75％、W 14.08％、Mo 0.085％、Fe3.4％、Si3.65％。

对钛合金摆杆端部耐磨部位进行预留3mm的凹槽，并对待焊接处进行打磨、抛光、除油、清洗、烘干处理后置于激光熔敷系统的加工室中，进行抽真空及充氩处理；

将提前筛分好的100～200目的混合粉充分混合，并在100～200℃温度条件下烘干2h，冷却后置于激光熔敷系统的送粉器中，并调节送粉器转速使送粉量达到每分钟2g，波长1064nm；

调整激光工艺参数：纯铌层采用输出功率3200W；光斑直径4mm；扫描速度10mm/s，纯铜层采用输出功率3800W；光斑直径4mm；扫描速度8mm/s，纯镍层采用输出功率3400W；光斑直径4mm；扫描速度6mm/s。熔敷过程中采用单道焊接，搭接率为50％，焊接层数为3层，焊后使焊件在该环境中缓冷至室温；

对熔敷完的焊件进行去应力退火处理，在马弗炉中以20℃每分钟的速度缓慢升温至650℃，并保持1小时，使其焊接应力充分释放后随炉冷却；

将去应力退火的摆杆进行磨削并抛光处理，完成整个摆杆的制作过程。

本实施例制备得到的耐磨层厚度到达1mm，洛氏硬度达到60HRC，完全满足光学摆杆耐磨部位的使用要求。

实施例2

本实施例提供在钛合金履带板表面熔敷耐磨层，在钛合金履带板表面熔敷三层，其中纯铌和纯铜层为过渡层，表面层为镍基硬质合金功能涂层，具体包括以下步骤：

焊粉主要成分：Ni 58.2％、C 1.47％、Cr 12％、W 18.8％、Mo 0.08％、Fe3.2％、Si3.44％。

对钛合金履带板端部耐磨部位进行预留3mm的凹槽，并对待焊接处进行打磨、抛光、除油、清洗、烘干处理后置于激光熔敷系统的加工室中，进行抽真空及充氩处理；

调整激光工艺参数：纯铌层采用输出功率2800W；光斑直径4mm；扫描速度10mm/s，纯铜层采用输出功率3600W；光斑直径4mm；扫描速度8mm/s，纯镍层采用输出功率3200W；光斑直径4mm；扫描速度6mm/s。熔敷过程中采用单道焊接，搭接率为50％，焊接层数为3层，焊后使焊件在该环境中缓冷至室温；

将去应力退火的履带板进行磨削并抛光处理，完成整个履带板的制作过程。

本实施例制备得到的耐磨层厚度到达1mm，洛氏硬度达到68HRC，完全满足整个耐磨部位的使用要求。

实施例3

本实施例提供在钛合金活塞销表面熔敷耐磨层，在钛合金活塞销表面熔敷三层，其中纯铌和纯铜层为过渡层，表面层为镍基硬质合金功能涂层，具体包括以下步骤：

焊粉主要成分：Ni64.02％、C 1.3％、Cr 13.2％、W 11.26％、Mo 0.088％、Fe3.52％、Si3.78％。

对钛合金活塞销端部耐磨部位进行预留3mm的凹槽，并对待焊接处进行打磨、抛光、除油、清洗、烘干处理后置于激光熔敷系统的加工室中，进行抽真空及充氩处理；

将去应力退火的钛合金活塞销进行磨削处理，完成整个活塞销的制作过程。

本实施例制备得到的耐磨层厚度到达1mm，洛氏硬度达到62HRC，完全满足发动机活塞销耐磨部位的使用要求。由图1可见，制备得到的耐磨涂层表面微观组织均匀。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：依次将至少一种过渡金属粉末及高耐磨镍基合金粉末在钛合金基材上进行激光熔敷，所述高耐磨镍基合金粉末由Ni、C、Cr、W、Mo、Fe、Si组成，所述过渡金属选自VB、VIIIB和IB族元素中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高耐磨镍基合金粉末中各种成分的重量百分比为：Ni 56.9625～72.1525％、C 1.8675～6.7375％、Cr 11.25～14.25％、W 18.75～37.5％、Mo 0.075～0.095％、Fe2.8～3.6％、Si3.1～3.87％，优选为Ni 58.2～61.84％、C 1.47～1.74％、Cr 12～12.75％、W 14.08～18.78％、Mo 0.08～0.085％、Fe3.2～3.4％、Si3.44～3.65％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述过渡金属选自铜、铌、钒、镍、铁和银中的一种或多种；优选为铌和铜。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述钛合金基材表面依次熔覆纯铌、纯铜及功能镍基合金层；和/或，所述高耐磨镍基合金粉末为100～270目筛分的微粉，优选为球状，和/或，粒径50～150μm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2)，基材准备：对所述钛合金基材进行预处理后备用；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)中，将所述高耐磨镍基合金粉末的原料进行筛分，优选为80～325目，更优选为100～200目；和/或，在100～200℃优选120℃高温下烘干1～2h优选2h。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述预处理为打磨、抛光、除油、清洗和烘干处理；和/或，步骤3)中，将所述钛合金基材置于保护系统中，进行抽真空及充氩处理；优选控制所述保护系统的氧含量小于50ppm和水含量小于50ppm。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，进行激光熔敷前对所述钛合金基材进行预热处理，温度为200～300℃，时间为1～2h优选1h；和/或，所述激光器为Laserliner4000W光纤耦合半导体激光器，优选的，所述激光器的工艺参数为：纯铌层采用波长1064nm；输出功率2800～3600W优选3200W；光斑直径4mm；扫描速度10～20mm/s优选10mm/s，纯铜层采用波长1064nm；输出功率3200～4000W优选3800W；光斑直径4mm；扫描速度5～10mm/s优选8mm/s，功能镍基合金层采用波长1064nm；输出功率3200～3800W优选3400W；光斑直径4mm；扫描速度5～8mm/s优选6mm/s，采用单道或多道焊接。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述去应力退火处理为在马弗炉中以10～30℃/min优选20℃/min的速度升温至600～720℃优选650℃，保持1～2h优选1h，然后随炉冷却。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述方法制备的钛合金耐磨涂层。