CN112663054A - 一种钛合金激光制备镍包石墨粉改性防护层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金激光制备镍包石墨粉改性防护层的方法，步骤如下：将一定质量比例KF110‑B4C‑Ag混合粉末预置于TA15钛合金基材表面，后采用激光熔覆工艺对预置层进行处理，主要工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率5～10 mm/s；处理后基材表面抗高温氧化性显著改善，本发明能够在TA15钛合金表面获得较好高温氧化性能的复合涂层。

Description

一种钛合金激光制备镍包石墨粉改性防护层的方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金激光制备镍包石墨粉改性防护层的方法，属于材料表面改性技术领域，特别涉及一种在TA15钛合金表面激光熔覆KF110-B4C-Ag制备抗高温氧化复合材料的方法。
背景技术
高温氧化失效是工业领域和日常生活中常见的现象，如碳钢在超482℃或合金钢在更高的温度下会发生高温氧化腐蚀，即金属在高于氧化温度和氧化物质的作用下生成金属氧化物的过程。结合工业领域中存在的各种高温氧化问题，大力开展有关高温氧化方面的基础理论和实际应用方面的研究，将对我国工业发展有重要意义。钛合金是一种比强度高及耐蚀性能优异的合金材料，在航空航天、汽车制造等领域发挥着重要作用，但在实际应用过程中，其存在抗高温氧化不足的问题，严重限制该合金材料在高温载荷领域的进一步推广应用。激光熔覆技术可在不改变钛合金主要性能的前提下，在合金表面制备抗高温氧化性能优越的熔覆层，可有效改善钛合金表面的抗高温氧化性能。KF110（镍包石墨粉）是一种以石墨颗粒为核心，其外包主要为镍基复合粉，该粉末具有良好的润滑及抗腐蚀件，在激光熔池中可有效提升液态金属流动性，减少缺陷形成倾向，适于制备组织结构均匀致密的激光熔覆层，宜广泛用于制造高温自润滑轴承材料，低摩擦材料，多孔镍带等；B4C陶瓷具有密度低、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，有极强的耐磨性；Ag可在Ni基激光熔池中催生纳米晶形成，增强所制备激光熔覆复合材料的力学性能。
发明内容
基于上述科学原理，本发明提出一种能够制备具有优异抗高温氧化性能激光熔覆层的方法，选用TA15钛合金为基材，将一定质量比例KF110-B4C-Ag混合粉末在基材表面制备预置涂层，后经激光熔覆制备改性防护层。该发明适用于航空发动机部件及飞机机体热端零件（发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等工业零部件）的增强与修复等诸多方面。KF110-B4C-Ag激光熔覆层中包含许多细小颗粒，具有较为致密的组织结构；图1a表明，KF110-B4C-Ag激光熔覆层含有大量棒状/块状Ti-B陶瓷析出物；图1b表明，熔覆层中部为细小致密的组织结构。
如图2所示，KF110-B4C-Ag激光熔覆层组织结构较均匀致密，熔覆层与基材之间形成了良好的冶金结合。元素分布EDS图谱表明，由于基材对熔覆层的稀释作用，由基材进入涂层的Ti、Al元素几乎占据了整个测试区域；Ag元素均匀地分布在测试区，且Ag加入可有效抑制粗大枝晶形成，利于细化熔覆层组织结构。图3表明，KF110-B4C-Ag激光熔覆层的高温氧化增重远比TA15钛合金基材的低。
研究表明，在TA15钛合金表面激光熔覆KF110-B4C-Ag混合粉末可制备改性防护层，从而改善钛合金抗高温氧化性能，具体步骤：
1）在激光熔覆之前将钛合金基材表面用120号砂纸打磨平整，后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗处理，酸洗时间5～10 min；再用清水冲洗，后用酒精将待激光处理工件表面擦拭干净、吹干；
2）将水玻璃（Na2O·SiO2）所制粘结剂滴入KF110-B4C-Ag混合粉末，充分搅拌均匀后预置于TA15钛合金10 mm×10 mm表面；
3）采用激光熔覆工艺对TA15表面预置层进行处理，并采用氩气防止氧化，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率5～10 mm/s，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%。
其中，步骤1）所述钛合金为TA15牌号，成分（wt %）：6.06Al，2.08Mo，1.32V，1.86Zr，0.09Fe，0.08Si，0.05C，0.07O, 余量Ti；
步骤2）所述KF110镍包石墨粉，采用雾化法制得呈颗粒状，尺寸50～200 μm，KF110成分（wt %）：40C，0.05Al，0.05Cr，余量Ni；B4C粉末尺寸50～150 μm；Ag粉末尺寸15～120 μm；混合粉末成分（wt %）：7B4C，3Ag，余量KF110。
本发明是氩气环境中在钛合金表面进行激光改性处理，该过程激光束扫描速度恒定不变；钛合金表面完全熔化沉积后关闭激光，等待2～3秒后关闭氩气保护。本发明能够获得抗高温氧化性好且与TA15基材呈冶金结合的激光熔覆层，发明具有工艺简单明了且非常适合工业推广应用等优点。
四、具体实施方式
实施例1：
将TA15牌号钛合金切成长度10 mm、宽度10 mm、厚度10 mm的正方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。将粘结剂滴入10g质量分数比例90KF110-7B4C-3Ag混合粉末，搅拌均匀后预置于TA15钛合金表面；激光熔覆处理该预置层后形成熔覆层，具体工艺步骤：
1）在激光熔覆前将TA15钛合金试样正方体10 mm×10 mm待处理表面用120号砂纸打磨平整；后用体积百分比25%硫酸水溶液对试样表面清洗处理，酸洗时间5～10 min；后用清水冲洗，再用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
2）将水玻璃制成的粘结剂滴入1g质量分数比例90%KF110-7%B4C-3%Ag混合粉末，搅拌均匀后预置于TA15表面，形成预置层；
3）对预置层进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层，采用氩气作为保护气防止氧化，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率 5～10 mm/s，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%。
五、附图说明
图1. KF110-B4C-Ag激光熔覆层SEM像: (a) 陶瓷析出物, (b) 熔覆层中部.
图2. KF110-B4C-Ag激光熔覆层与基材结合区SEM像及EDS各元素分布图谱.
图3. TA15钛合金及其激光熔覆层高温氧化增重随时间变化图。

Claims (1)

1.一种钛合金激光制备镍包石墨粉改性防护层的方法，其特征是：
（1）用水玻璃（Na2O·SiO2）所制粘结剂将一定质量比例KF110-B4C-Ag混合粉末预置于TA15钛合金表面，后采用激光熔覆工艺对预置层进行处理，过程中采用氩气作为保护气，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率 5～10 mm/s，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%；
（2）混合粉末成分及质量分数（wt %）：90KF110，7B4C，3Ag；KF110化学成分及比例（wt%）：40C，0.05Al，0.05Cr，余量Ni；水玻璃所制粘结剂：水玻璃与水体积比例1:3。
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