CN114000142A - 一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于火炮制退器制造领域，涉及一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法。本发明采用激光熔覆技术，在钛合金火炮制退器喷孔壁熔覆TiAl基金属间化合物粉末，与钛合金基体形成冶金结合。本发明遴选的TiAl基金属间化合物粉末按体积百分数组分组成为：Ti2AlNb合金粉末40.0％－50.0％，TiB2陶瓷颗粒粉末1.0％－5.0％，余量为TiAl合金粉末。通过在TiAl基金属间化合物粉末中调整Ti2AlNb的添加量，提高材料整体塑性，通过加入TiB2陶瓷颗粒，进一步增强涂层的硬度与耐磨性。使用本发明制备的钛合金火炮制退器，涂层厚度不大于0.5mm，基体热影响区厚度1mm，熔覆层硬度大于700HV，显著提高钛合金火炮制退器喷孔的硬度和耐磨性能，可显著提升钛合金火炮制退器使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于钛合金火炮制退器制造领域，涉及一种钛合金炮口制退器喷孔强化方法。
背景技术
火炮制退器在发射过程中受到热冲击、化学烧蚀及机械磨损多重因素作用。现有技术中，火炮制退器部件采用炮钢材料。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性良好等优势，采用钛合金材料替代钢制火炮制退器后，同尺寸替代可以获得40％以上的减重效能，应用前景巨大。
但在实际的测试过程中，钛合金火炮制退器的喷孔壁在高速气流冲刷下很快出现冲刷烧蚀现象，导致钛合金制退器寿命严重下降，故迫切需要提升钛合金火炮制退器的喷孔壁在高温下的强度、耐烧蚀和抗冲刷性能。
激光熔覆技术可以利用高能激光束，使材料快速熔化，在凝固后与基材形成良好的冶金结合，可用于材料表面改性等领域。该技术具有熔覆层组织致密、成型快、柔化程度高、可控性好等特点，因此可用于增强钛合金火炮制退器喷孔壁的性能。
发明内容
本发明的目的是：提供一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法。本发明遴选TiAl基金属间化合物粉末作为熔覆材料，采用激光熔覆技术强化钛合金火炮制退器喷孔壁，显著提高喷孔壁的硬度和耐磨性能，提升钛合金火炮制退器使用寿命，突破火炮制退器轻量化制造的瓶颈。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于：包含以下步骤：
步骤一、将钛合金火炮制退器进行清洗和烘干处理；
步骤二、将TiAl基金属间化合物粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在封闭的成形工装内通保护气；
步骤三、对炮口制退器的喷孔壁进行预加热；
步骤四、使用激光熔覆设备，采用同轴送粉工艺，TiAl基金属间化合物粉末在激光的作用下与炮口制退器喷孔壁形成冶金结合，随着粉末与激光在喷孔壁表面移动，冶金结合形成熔覆层；
步骤五、重复步骤四，完成炮口制退器全部喷孔壁的熔覆层制备；
步骤六、对熔覆后的喷孔壁进行气氛保护去应力退火；
步骤七、对喷孔壁进行机械加工。
优选地，TiAl基金属间化合物粉末的各组分按体积组成为：Ti2AlNb合金粉40.0％～50.0％，TiB2陶瓷颗粒粉末1.0％～5.0％，余量为TiAl合金粉。
优选地，采用碱性清洗剂清洗火炮制退器整体，然后采用酸洗剂清洗火炮制退器喷孔壁面。
优选地，封闭的成形工装内通的保护气为氮气和氩气的混合气体，氩气流量为5～30sccm。
优选地，预加热过程中基体温度控制在400～500℃，在S4中基体的温度保持在500℃以上。
优选地，激光功率为600W～1050W，激光扫描速率为10～15mm/s，扫描搭接率40％～60％。
优选地，同轴送粉的载粉气流为氦气，气流流速为3～10L/min，送粉速率为5～15g/min。
优选地，退火温度为400℃，退火时间为1～24h。
优选地，机械加工方法为吹砂，喷孔壁的涂层表面粗糙度不高于Ra0.4。
本发明提供了一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
本发明通过激光熔覆同轴送粉的方法，在钛合金制退器喷孔壁上制备TiAl基金属间化合物耐磨熔覆层，过程中涂层与基体发生冶金反应，具有较高的结合力，涂层的使用寿命提高。采用激光作为涂覆热源，基体的热变形小，进一步缓解涂层开裂问题。通过调整Ti2AlNb的添加量，调高材料整体塑性，通过在TiAl基金属间化合物粉末中加入TiB2陶瓷颗粒，进一步增强涂层的硬度与耐磨性。
使用本方法制备的钛合金火炮制退器，涂层厚度不大于0.5mm，基体热影响区厚度1mm，Ti2AlNb熔覆层硬度大于700HV，提高了钛合金火炮制退器喷孔的硬度和耐磨性能，可显著提升钛合金火炮制退器使用寿命，同时该工艺方法具有工艺过程简单，可操作强，成本低等优势。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的工艺流程图；
图2为本发明实施例所示的钛合金炮口制退器的示意图；
图3为本发明实施例所示的采用同轴送粉激光熔覆工艺在钛合金炮口制退器喷孔壁制备熔覆层的示意图。
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，下面将结合本发明的实施例对本发明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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。下面结合具体实施例描述本发明的钛合金火炮制退器喷孔抗烧蚀耐磨涂层的制备方法。
实施例
本发明钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法的一种实施例。本实施例所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法为：
(1)采用LCX－52清洗剂对TC4钛合金炮管制退器1进行彻底清洗与烘干，去除表面杂质。
(2)将清洗后的TC4钛合金炮管制退器1浸没在酸洗溶液中，所采用的酸洗溶液中硝酸浓度为200mL/L，酸洗温度为60℃，酸洗时间为5min；酸洗完成后采用流动水清洗，并进行烘干，彻底去除钛合金表面氧化物。
(3)将TiAl基金属间化合物粉末3置于送粉器中，以氮气和氩气的混合气体为保护气，混合气体中的氮气占比为50％，保护气流速为20L/min，由此在强化过程中生成一定比例TiN，增强涂层硬度。TiAl基金属间化合物粉末3中TiAl粉末占体积百分数为55.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为42.0％，TiB2粉末占体积百分数为3.0％。TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，TiB2粉末的粒度为8～12微米。TiAl合金粉末按质量百分数由48.0％的Ti、48.0％的Al、2.0％的Cr和2.0％的Nb和0.06％的C组成。Ti2AlNb合金粉末按质量百分数由53.0％的Ti、22.0％的Al、25.0％的Nb和0.05％的C组成。TiB2粉末按原子百分数由68％的Ti、31％的B、0.45％的O组成。Ti2AlNb粉末的加入可以增强涂层的高温力学性能，TiB2粉末进一步增强耐磨性，同时通过控制粉末粒度使涂层致密度达到最优。
(4)对喷孔壁2所在区域进行预加热，基体温度控制在400～500℃，并在成形过程持续加热，基体的温度持续保持在500℃以上，防止涂层开裂。
(5)随后采用同轴送粉模式，以氦气作为载粉气流，气体流速为5L/min，送粉速率为15g/min，激光功率1000W，激光扫描速率12mm/s，扫描搭接率40％。使在激光4的作用下，TiAl基金属间化合物粉末3在喷孔壁2上熔化形成熔池。随着粉末3与激光4运动，熔池面积扩大，在凝固后形成涂层，由此形成的涂层致密度高，与基体界面结合力强，硬度高，抗烧蚀性能优异。
(6)采用氩气保护气氛对TC4钛合金炮管制退器1进行去应力退火，氩气流量为20sccm，退火温度为400℃，退火时间24h。
(7)采用深孔磨加工至最终尺寸，涂层表面粗糙度为Ra0.4，完成整个强化过程。
所获得涂层性能如表1所示。
表1 实施例TC4钛合金炮管制退器的性能数据
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：将钛合金火炮制退器进行清洗和烘干处理；
S2：将TiAl基金属间化合物粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在封闭的成形工装内通保护气；
S3：对炮口制退器的喷孔壁进行预加热；
S4：使用激光熔覆设备，采用同轴送粉的方式加工喷孔壁，TiAl基金属间化合物粉末在激光的作用下与喷孔壁形成冶金结合，随着粉末与激光在喷孔壁表面移动，冶金结合形成熔覆层；
S5：重复S4，完成炮口制退器全部喷孔壁的熔覆层制备；
S6：对熔覆后的喷孔壁进行气氛保护去应力退火；
S7：对喷孔壁进行机械加工。
2.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，所述TiAl基金属间化合物粉末的各组分按体积组成为：Ti2AlNb合金粉40.0％－50.0％，TiB2陶瓷颗粒粉末1.0％－5.0％，余量为TiAl合金粉。
3.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S1的清洗过程中，采用碱性清洗剂清洗火炮制退器整体，然后采用酸洗剂清洗火炮制退器喷孔壁面。
4.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S2中的保护气为氮气和氩气的混合气体，在S6中的保护气为氩气。
5.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S3的预加热过程中基体温度控制在400～500℃，在S4中基体的温度保持在500℃以上。
6.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S4中激光功率为600W～1050W，激光扫描速率为10～15mm/s，扫描搭接率40％～60％。
7.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S4中同轴送粉的载粉气流为氦气，气流流速为3～10L/min，送粉速率为5～15g/min。
8.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，在S6中退火温度为400℃，退火时间为1～24h。
9.根据权利要求1所述的钛合金炮口制退器喷孔壁强化方法，其特征在于，S7中机械加工方法为吹砂，喷孔壁的涂层表面粗糙度不高于Ra0.4。
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