CN111218683A - 用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。该熔覆层采用激光熔覆技术，熔覆粉末包括65wt％TC4，5wt％Cu，28～30wt％Ni60，0～2wt％Y₂O₃。TC4粉末包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。Ni60粉末包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。本发明可以有效改善激熔覆层的成形质量并提高钛合金表面的摩擦磨损性能。

Description

用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。

背景技术

Ti-6Al-4V(TC4)合金具有高比强度、优良的中低温性能和低密度等优点，可满足航空发动机高推重比、高可靠性和长寿命的设计需求，是航空发动机压气机叶片、风扇叶片、机匣和发动机挂架的重要选材。然而，钛合金硬度低，耐磨性差，在航空发动机高速气动载荷和复杂震动条件下，发动机的钛合金零部件将因吸入空气中的异物而产生划痕和磨损，破坏了钛合金部件的结构强度和气动外形，不利于航空发动机运营可靠性和安全性。

激光熔覆是一项快速高效的表面改性技术，制备的熔覆层与基体结合强度高，材料利用率高。因此，对于钛合金硬度和耐磨性不足等问题，国内外研究机构展开了一系列的激光表面改性研究，以改善钛合金表面的摩擦磨损性能。镍基自熔性合金含有B和Si元素，可增加熔池流动性，保证熔覆层与基材的润湿性。此外，镍基自熔性合金提供的Ni、C和B等元素与钛生成硬质相，改善熔覆层的摩擦磨损性能。因而，Ni60自熔性合金粉末被广泛运用于钛合金表面激光熔覆。使用镍基自熔性合金制备的熔覆层可有效的改善钛合金表面的耐磨性，但激光熔覆快速加热冷却的工艺特点，易导致熔覆层出现应力集中，熔覆层中生成的粗大硬质相极易萌生裂纹，破坏熔覆层的成形质量。Cu热导性好，熔点低，在材料体系中添加Cu可减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量，提高强韧性，但熔覆层易出现气孔缺陷，不利于熔覆层的成形质量，限制含铜激光熔覆层在钛合金表面改性和损伤修复的工业化运用。

发明内容

为了应对上述激光修复层中存在的不足问题，本发明的目的在于提供用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。改善激熔覆层的成形质量，提高钛合金表面的摩擦磨损性能。钛基复合材料体系使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti₂Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y₂O₃，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y₂O₃以细小颗粒状分布在析出相边界处，阻碍晶粒的固-液界面移动，抑制硬质相的晶粒长大；同时，Y₂O₃可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层析出相，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性能，磨损表面光滑平整，改善熔覆层摩擦磨损性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y₂O₃粉末制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；所述熔覆层使用的熔覆粉末中各组分按质量百分数记，包括65wt％TC4粉末，5wt％Cu粉末，28～30wt％Ni60粉末，0～2wt％Y₂O₃粉末。

进一步，所述TC4粉末实测化学成分按质量百分数记，包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。

进一步，所述TC4球形粉末粒度分布在20～110μm之间。

进一步，所述Ni60粉末实测化学成分按质量百分数记，包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。

进一步，所述Ni60球形粉末粒度分布在40～110μm之间。

进一步，所述Cu粉末纯度>99％。

进一步，所述Cu粉末粒度分布在40～100μm之间。

进一步，所述Y₂O₃粉末纯度>99％。

进一步，所述Y₂O₃粉末粒度分布在10～60μm之间。

更进一步，上述用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层的制备方法，其步骤如下：

S1、对基材和粉末进行形貌和成分检测；

S2、制备熔覆基体材料：将钛合金板材切割成一定尺寸的基材，去除表面污物及氧化膜，然后放置于无水乙醇中超声波清洗一定时间，放入真空干燥箱中；

S3、制备熔覆粉末材料：将粉末按各组分设计比例进行配制并混合均匀，实验前将放置在真空干燥箱中80℃恒温干燥10h，熔覆前将粉末取出放入激光加工中心的送粉器粉筒中；

S4、采用同轴送粉激光熔覆技术，将TC4+Cu+Ni60+Y₂O₃粉末熔覆在TC4合金表面，制备含铜钛基耐磨激光熔覆层。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提供了一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。本发明采用激光熔覆技术，材料体系中添加2wt％Y₂O₃，在钛合金表面制备无裂纹气孔缺陷，成形质量优良，组织细化，硬质相分布致密均匀的稀土添加含铜钛基激光熔覆层。钛基复合材料体系使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材良好的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti₂Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y₂O₃，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y₂O₃可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层组织，改善熔覆层摩擦磨损性能。

添加2wt％Y₂O₃，熔覆层无裂纹气孔缺陷，成形质量优良。Y₂O₃提高形核率，细化组织，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高的耐磨性能，磨损表面光滑平整，熔覆层摩擦磨损性能得到显著改善。该稀土添加含铜钛基激光熔覆层对钛合金表面改性和损伤修复具有重要意义，可延长钛合金零部件的服役寿命。

附图说明

图1为实施例1、实施例2中熔覆粉末形貌图；a：TC4粉末；b：Ni60粉末；c：Cu粉末；d：Y₂O₃粉末；

图2为实施例1、实施例2制备的熔覆层表面宏观形貌和无损着色渗透探伤形貌图；a：实施例1宏观形貌；b：实施例2宏观形貌；c：实施例1着色渗透探伤结果图；d：实施例2着色渗透探伤结果图；

图3为实施例1、实施例2制备的熔覆层横截面宏观形貌图；a：实施例1；b：实施例2；

图4为实施例1、实施例2制备的熔覆层X射线衍射分析图谱；a：实施例1；b：实施例2；

图5为实施例1、实施例2制备的熔覆层微观组织形貌图；a：实施例1；b：实施例2；

图6为实施例2制备的熔覆层Ti、Y、O元素分布图谱和背散射图谱；a：Ti元素；b：Y元素；c：O元素；d：BSE图谱；

图7为实施例1、实施例2制备的熔覆层显微硬度测试结果；a、显微硬度曲线图；b、平均显微硬度柱状图；

图8为实施例1、实施例2制备的熔覆层摩擦系数测试结果；

图9为实施例1、实施例2制备的熔覆层磨损体积测试结果；

图10为实施例1、实施例2熔覆层磨损后的表面形貌图；a：实施例1；b：实施例2。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明公开了一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法，该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y₂O₃粉末制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；所述熔覆层使用的熔覆粉末中各组分按质量百分数记，包括65wt％TC4粉末，5wt％Cu粉末，28～30wt％Ni60粉末，0～2wt％Y₂O₃粉末。

采用TC4粉末是由于钛基复合材料体系可使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。

Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。

Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材良好的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti₂Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。

稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y₂O₃，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y₂O₃以细小颗粒状分布在析出相边界处，阻碍晶粒的固-液界面移动，抑制硬质相的晶粒长大；同时，Y₂O₃可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层析出相，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性能，磨损表面光滑平整，改善熔覆层摩擦磨损性能。

优选的，所述TC4粉末实测化学成分按质量百分数记，包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti；球形粉末粒度分布在20～110μm之间。

优选的，所述Ni60粉末实测化学成分按质量百分数记，包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni；球形粉末粒度分布在40～110μm之间。

优选的，所述Cu粉末纯度>99％；粉末粒度分布在40～100μm之间。

优选的，所述Y₂O₃粉末纯度>99％；粉末粒度分布在10～60μm之间。

本发明还公开了用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法，步骤如下：

S1、熔覆材料的形貌和成分检测；具体为：TC4、Ni60、Cu和Y₂O₃粉末取少量作为形貌观察和成分检测样品，扫描电镜和能谱分析仪对材料进行形貌和成分检测；

S2、熔覆基体材料的准备；具体为：使用线切割机对TC4钛合金板材进行切割，制成尺寸为40×30×8mm的钛合金基材，实验前对基材表面进行喷砂处理，去除表面污物及氧化膜，喷砂处理后基材呈漫反射状态，基材超声波无水乙醇清洗15min，清洗后放入真空干燥箱中保护待用；

S3、熔覆粉末材料的准备；具体为：将粉末按各组分设计比例进行配制并混合均匀，实验前将复合粉末放置在真空干燥箱中80℃恒温干燥10h，熔覆前从干燥箱内取出放入送粉器的粉筒中；

S4、采用激光熔覆技术制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；具体为：激光加工中心型号为通快TRULASER Cell 7040，光纤激光器型号为通快TRUMPF Laser TruDisk 4002，激光功率为1100W，扫描速度为400mm/min，送粉量为2.4r/min，光斑直径为3.0mm，激光焦距16mm。为防止熔覆层发生氧化，粉末载流气为氦气，气体流速为7.0L/min，熔池保护气为氩气，气体流速11.0L/min，多道搭接率为50％。

实施例具体实施方案如下:

实施例1：

本案例具体方案为65wt％TC4+30wt％Ni60+5wt％Cu，按照上述步骤制备激光熔覆层。

实施例2：

本案例具体方案为65wt％TC4+28wt％Ni60+5wt％Cu+2wt％Y₂O₃，按照上述步骤制备激光熔覆层。

试验实施例

本发明中用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层所采用的成形质量、微观组织和力学性能表征方法具体如下：

(1)熔覆层成形质量表征：运用DPT-5无损着色渗透探伤检测熔覆层表面裂纹缺陷；

(2)熔覆层微观组织表征：运用HITACHI S-3000N型扫描电子显微镜表征熔覆粉末、熔覆层微观组织和摩擦磨损形貌；

(3)熔覆层物相表征：运用X`Pert-Pro MPD型X射线衍射仪表征熔覆层析出相，衍射靶材Cu，电压40kV，电流150mA，扫描范围20°～80°，扫描速度6°/min；

(4)熔覆层元素分布检测：运用JEOL JXA-8530F Plus型场发射电子探针波谱仪检测熔覆层元素分布；

(5)熔覆层显微硬度测试：运用KB 30SR-FA型显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，测试载荷为5N，载荷保持时间为12s，垂直熔覆层表面方向测试间距均为0.12mm，同一水平位置测试三次，水平间距为0.12mm。

(6)熔覆层摩擦磨损性能测试：采用RTEC MFT-5000型往复式摩擦磨损试验机测试熔覆层摩擦磨损性能，测试环境为室温大气条件，磨损载荷为50N，WC对摩球直径为6mm，往复行程为2mm，测试频率15Hz，磨损时间为300s。

(7)熔覆层摩擦体积测量：利用RTEC UP-Lambda非接触式白光干涉轮廓仪测量熔覆层的磨损体积，表征熔覆层的耐磨性。

实验结果见图1-图10：

实施例1-2使用的TC4、Cu、Ni60和Y₂O₃粉末的形貌如图1所示：TC4、Cu、Ni60和Y₂O₃粉末均为球形粉末，TC4粉末的粒度在20～110μm之间，Cu粉末粒度在40～100μm之间，Ni60粉末粒度在40～110μm之间，Y2O3粉末粒度在10～60μm之间。粉末粒度需要分布在合适的区间，才能保证粉末在熔覆过程中具有良好的流动性，粉末太细容易沾壁，流动性差，而粉末粒度太大，由于激光熔覆快速加热冷却的工艺特点，易导致大尺寸粉末不能完全熔化，使未熔粉末残留在熔覆层表面，影响成形质量。

实施例1-2熔覆层的表面无损着色渗透探伤检测结果如图2：熔覆层表面平整均匀连续，无明显气孔缺陷，未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层存在少量裂纹等缺陷；添加Y₂O₃(实施例2)熔覆层加无明显裂纹等缺陷，熔覆层宏观质量良好，实施效果最好。

实施例1-2熔覆层的宏观形貌如图3所示：熔覆层与基材均呈波浪过渡，形成良好的冶金结合，含Y₂O₃熔覆层波浪更明显。未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层的厚度为1.58-1.70mm之间；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的厚度为1.65-2.02mm之间，添加Y₂O₃熔覆层厚度明显增加；不含Cu(实施例1)熔覆层有少量气孔缺陷；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层无明显裂纹，气孔缺陷。添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层成形质量良好，实施效果最好。

实施例1-2熔覆层的XRD衍射分析图谱如图4所示：熔覆层的物相主要为TiC、TiB、Ti₂Ni和α-Ti。添加Y₂O₃熔覆层生成相无明显变化，衍射峰强度增加。

实施例1-2熔覆层的微观组织形貌如图5所示：未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层组织粗大；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层组织细化显著，分布致密均匀，基底显露面积增加；熔覆层组织主要为不规则块状Ti₂Ni、枝晶状TiCx、条状TiB，以及深色基体α-Ti。随着Y₂O₃的添加，熔覆层中Ti₂Ni、TiCx和TiB显著细化，Y₂O₃具有高熔点，可作为析出相的异质形核中心，提高溶体的形核率，从而显著细化组织，达到细晶强化的效果，使熔覆层具有良好的摩擦磨损性能。添加2wt％Y₂O₃(实施例2)组织细化显著，硬质相分布均匀，实施效果最好。

实施例1-2熔覆层的元素分布图谱如图6所示：熔覆层中的Y、O元素主要以元颗粒状富集，结合背散射图谱分析可知，Y₂O₃以细小颗粒状分布在析出相边界处，阻碍晶粒的固-液界面移动，抑制硬质相的晶粒长大；同时，Y₂O₃可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层析出相，使含Y₂O₃熔覆层具有优良的力学性能。

实施例1-2熔覆层的显微硬度分布如图7所示：钛合金基材的平均显微硬度为396.6HV_0.5，未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层的平均显微硬度为709.6HV_0.5，硬度比基材提高了78.9％，但硬度波动性较大；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的平均显微硬度为634.8HV_0.5，硬度比基材提高了60.1％，显微硬度分布均匀平稳。含2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的显微硬度值较高，分布均匀性良好，实施效果最好。

实施例1-2熔覆层的摩擦系数测量结果如图8所示：TC4基材平均摩擦系数为0.457，未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层的平均摩擦系数为0.355，比基材降低了22.3％；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的平均摩擦系数为0.363，熔覆层比基材降低了20.6％。

实施例1-2熔覆层的耐磨性测量结果如图9所示：基材的磨损体积为1.94×10⁸μm³；未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层的磨损体积为1.72×10⁸μm³，与基材对比降低了11.3％；添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的磨损体积为1.57×10⁸μm³，与基材对比降低了19.1％，含2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层组织显著细化，硬质相分布均匀，对熔覆层具有良好的强化效果，使熔覆层耐磨性显著提高。含2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的耐磨性良好，实施效果最好。

实施例1-2熔覆层的磨损表面形貌如图10所示：未添加Y₂O₃(实施例1)熔覆层的表面磨损撕裂和犁沟状磨损特征明显，磨损机制主要是磨粒磨损和轻微粘着磨损。添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的熔覆层磨损表面主要为磨损犁沟和轻微的磨损撕裂现象，磨损表面形貌光滑平整，磨损机制主要是磨粒磨损和轻微的黏着磨损。含2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层析出相细化显著，组织分布均匀，使熔覆层具有良好的强韧性，有效得改善了熔覆层表面的摩擦磨损性能。添加2wt％Y₂O₃(实施例2)熔覆层的磨损表面光滑平整，实施效果最好。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y₂O₃粉末制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；所述熔覆层使用的熔覆粉末中各组分按质量百分数记，包括65wt％TC4粉末，5wt％Cu粉末，28～30wt％Ni60粉末，0～2wt％Y₂O₃粉末。

2.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述TC4粉末实测化学成分按质量百分数记，包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。

3.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述TC4球形粉末粒度分布在20～110μm之间。

4.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Ni60粉末实测化学成分按质量百分数记，包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。

5.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Ni60球形粉末粒度分布在40～110μm之间。

6.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Cu粉末纯度>99％。

7.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Cu粉末粒度分布在40～100μm之间。

8.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Y₂O₃粉末纯度>99％。

9.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Y₂O₃粉末粒度分布在10～60μm之间。

10.如权利要求1至9任一项所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1、对基材和粉末进行形貌和成分检测；

S2、制备熔覆基体材料：将钛合金板材切割成一定尺寸的基材，去除表面污物及氧化膜，然后放置于无水乙醇中超声波清洗一定时间，放入真空干燥箱中；

S3、制备熔覆粉末材料：将粉末按各组分设计比例进行配制并混合均匀，实验前将放置在真空干燥箱中80℃恒温干燥10h，熔覆前将粉末取出放入激光加工中心的送粉器粉筒中；

S4、采用同轴送粉激光熔覆技术，将TC4+Cu+Ni60+Y₂O₃粉末熔覆在TC4合金表面，制备含铜钛基耐磨激光熔覆层。

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