CN115558921A - 一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金材料表面强化技术领域，具体涉及一种激光熔覆制备钛合金非晶‑中熵基耐磨材料的方法，包括以TC4钛合金为基材，首先在基材表面涂覆FeCrBSi‑SiC粉末，然后再激光熔覆TribaloyX40‑Cr‑Ni‑Cu粉末所得。本发明可通过激光熔覆的方式在TC4钛合金基材制备冶金结合良好且具备优良耐磨性能的激光沉积层，激光沉积层高度达1.8mm，增强了对钛合金基材的保护效果，提高了TC4钛合金基材的表面耐磨性，适用于工业结构件的制备及修复。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料表面强化技术领域，具体涉及一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法。
背景技术
钛合金含量丰富，具有抗拉强度高、耐蚀性能好等优点，目前已成为航空业、海洋制造业等工业领域不可缺少的金属材料，但其较差的表面性能，如硬度低、易磨损失效等问题限制钛合金应用。
激光熔覆为可通过高能量激光束作用于金属表面产生冶金结合，通过熔覆不同种类粉末增强金属表面耐磨性、耐腐蚀性等，是金属表面改性的重要手段。非晶合金具有短程有序、长程无序的结构特点，在熔池快速冷却过程中可获得较高的硬度及强度，价格低廉且具备优异物化性能的Fe基非晶合金在工业生产、机械化工等领域得到广泛应用。
发明内容
针对钛合金表面耐磨性能差的技术问题，本发明提供一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，可提高铝合金表面的耐磨等性能。
本发明提供一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，包括如下步骤：
S1、以TC4钛合金为基材，对基材表面预处理；
S2、将FeCrBSi-SiC粉末与粘结剂混合后涂覆于TC4钛合金基材表面，形成预置层；
S3、采用同轴送粉的方式在基材预置层表面激光熔覆TribaloyX40-Cr-Ni-Cu粉末，制得成品。
进一步的，步骤S1中，基材表面预处理的方法为：采用砂纸打磨基材表面去除氧化物后用酒精及丙酮去除基材表面污渍，清水冲洗。
进一步的，步骤S2中，FeCrBSi-SiC粉末包括如下重量百分数的组分：FeCrBSi93％、SiC 7％，其中FeCrBSi、SiC纯度均＞99.5％。
进一步的，FeCrBSi包括如下重量百分数的化学成分：Si 8.20％、B 3.10％、Cr2.60％，余量Fe；FeCrBSi的粉末粒径为40～60μm。
进一步的，TC4钛合金基材包括如下重量百分数的化学成分：Fe 0.3％，Al 5.50％～6.80％，V 3.50％～4.50％，C 0.10％，N 0.05％，H 0.015％，O 0.20％，余量Ti。
进一步的，步骤S2中，粘结剂为水玻璃。
进一步的，步骤S3中，TribaloyX40-Cr-Ni-Cu粉末包括如下重量百分数的化学成分：TribaloyX40 59％、Cr 26％、Ni 14％、Cu 1％。
进一步的，TribaloyX40为粒径40～60μm的钴基合金粉末；TribaloyX40包括如下重量百分数的化学成分：C 0.85％、Cr 25％、Si 0.3％、W 7.5％、Fe 1.0％，Ni 10％、Mn0.3％，余量为Co。
进一步的，步骤S3中，激光熔覆的工艺为：激光功率为700～900W，扫描速度为13～17mm/s，保护氩气流量为25～35L/min，多道搭接率为25％～35％，送粉速度为11～14r/min。
本发明的原理为：
本发明将非晶合金粉末与中熵合金粉末相结合发挥其各自优势，具有等摩尔或近等摩尔比的CoCrNi中熵合金与非晶基合金在熔池中易生成简单固溶相，多种元素并存及较低堆垛层错能可提高激光熔覆层的耐磨性能，使激光沉积层具有高强度、高耐磨及良好的耐蚀性能等；
本发明制备时SiC粉末的加入在激光沉积层中生成大量硬质相及非晶相，提高沉积层耐磨性；Cu粉末的加入促进激光沉积层中纳米晶相产生；激光沉积层在非晶、纳米晶等多物相的作用下力学性能得到提高。
本发明的有益效果在于：本发明可通过激光熔覆的方式在TC4钛合金基材制备冶金结合良好且具备优良耐磨性能的激光沉积层，激光沉积层高度达1.8mm，增强了对钛合金基材的保护效果，提高了TC4钛合金基材的表面耐磨性，适用于工业结构件制备及修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式实施例1制得材料非晶-中熵基激光沉积叠层宏观组织图。
图2是本发明具体实施方式实施例1制得材料非晶-中熵基激光沉积叠层显微组织图。
图3是本发明具体实施方式实施例1制得材料干滑动磨损实验激光沉积层磨损体积随时间变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
如下实施例采用的TC4钛合金基材包括如下重量百分数的化学成分：Fe 0.3％，Al5.50％～6.80％，V 3.50％～4.50％，C 0.10％，N 0.05％，H 0.015％，O 0.20％，余量Ti；
如下实施例采用的FeCrBSi包括如下重量百分数的化学成分：Si 8.20％、B3.10％、Cr 2.60％，余量Fe；FeCrBSi的粉末粒径为40～60μm；
如下实施例采用的TribaloyX40为粒径40～60μm的钴基合金粉末，TribaloyX40包括如下重量百分数的化学成分：C 0.85％、Cr 25％、Si 0.3％、W 7.5％、Fe 1.0％，Ni10％、Mn 0.3％，余量为Co。
实施例1
一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，包括如下步骤：
(1)以TC4钛合金为基材，通过线切割工艺将TC4钛合金切割为边长为10mm正方体，用200目、400目和800目砂纸依次打磨表面去除氧化物，后用酒精及丙酮去除基材表面污渍，清水冲洗后使用酒精处理待熔覆表面；
(2)选用精度为±0.001g电子天平按照预定比例称取下层沉积层合金粉末93FeCrBSi-7SiC(wt％)20g，和上层沉积层合金粉末59TribaloyX40-26Cr-14Ni-1Cu(wt％)20g，分别放入球磨机将粉末混合均匀，球磨机转速150r·min-1，混粉时间2h，熔覆前将上述两种混合粉末分别放置炉中，在150℃条件下烘干2h；
(3)使用玻璃棒将下层沉积层粉末FeCrBSi-SiC与水玻璃粘着剂(Na2O·nSiO2)充分搅拌混合涂覆于TC4基材10mm×10mm表面，厚度0.8mm，自然风干；采用激光熔覆工艺将上层沉积层粉末TribaloyX40-Cr-Ni-Cu通过同轴送粉方式对基材表面预置层进行熔覆处理，熔覆时采用氩气防止氧化，激光熔覆工艺参数：激光功率为800W，扫描速度为15mm/s，保护氩气流量为30L/min，多道搭接率为30％，送粉速度为13r/min。形成厚度约1.8mm的FeCrBSi-SiC及TribaloyX40-Cr-Ni-Cu非晶-中熵基激光沉积层，制得上述具有上述激光沉积层叠层的耐磨材料。
图1示出了本实施例制得基材具有非晶-中熵基激光沉积叠层宏观组织，从图1中可以看出，激光沉积层与基材间产生良好的冶金结合，激光沉积层具有一定厚度及较致密组织结构，激光沉积层高度为1.8mm。
图2示出了本实施例制得基材具有非晶-中熵基激光沉积叠层显微组织，其中左图a为结合区，右图b为激光沉积层中部；图2a表明，激光沉积层中产生明显的分层结构，大量枝晶及块状硬质增强相在沉积层下部生成，提高激光沉积层的强度；图2b表明激光沉积层组织结构经激光熔覆处理后变得更为致密；非晶合金加入及激光快速冷却作用在激光沉积层中产生非晶相，增强激光沉积层的耐磨性能；
针对本实施例试样的激光沉积层进行干滑动磨损实验，检测激光沉积层磨损体积(mm3)随时间(min)的变化，具体结果见图3。图3即表明本实施例试样的沉积层在磨损前期表现处极强耐磨性，随着磨损时间的增加，在240分钟后，激光沉积层基本被磨掉，摩擦副直接对TC4基材进行磨损，磨损体积较前期大幅提升，反应出所制备非晶-中熵基耐磨层的较强耐磨性。
实施例2
一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，包括如下步骤：
(1)以TC4钛合金为基材，通过线切割工艺将TC4钛合金切割为边长为10mm正方体，用200目、400目和800目砂纸依次打磨表面去除氧化物，后用酒精及丙酮去除基材表面污渍，清水冲洗后使用酒精处理待熔覆表面；
(2)选用精度为±0.001g电子天平按照预定比例称取下层沉积层合金粉末93FeCrBSi-7SiC(wt％)20g，和上层沉积层合金粉末59TribaloyX40-26Cr-14Ni-1Cu(wt％)20g，分别放入球磨机将粉末混合均匀，球磨机转速150r·min-1，混粉时间2h，熔覆前将上述两种混合粉末分别放置炉中，在150℃条件下烘干2h；
(3)使用玻璃棒将下层沉积层粉末FeCrBSi-SiC与水玻璃粘着剂(Na2O·nSiO2)充分搅拌混合涂覆于TC4基材10mm×10mm表面，厚度0.8mm，自然风干；采用激光熔覆工艺将上层沉积层粉末TribaloyX40-Cr-Ni-Cu通过同轴送粉方式对基材表面预置层进行熔覆处理，熔覆时采用氩气防止氧化，激光熔覆工艺参数：激光功率为700W，扫描速度为13mm/s，保护氩气流量25L/min，多道搭接率25％，送粉速度11r/min。形成厚度约1.7mm的FeCrBSi-SiC及TribaloyX40-Cr-Ni-Cu非晶-中熵基激光沉积层，制得上述具有上述激光沉积层叠层的耐磨材料。
实施例3
一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，包括如下步骤：
(1)以TC4钛合金为基材，通过线切割工艺将TC4钛合金切割为边长为10mm正方体，用200目、400目和800目砂纸依次打磨表面去除氧化物，后用酒精及丙酮去除基材表面污渍，清水冲洗后使用酒精处理待熔覆表面；
(2)选用精度为±0.001g电子天平按照预定比例称取下层沉积层合金粉末93FeCrBSi-7SiC(wt％)20g，和上层沉积层合金粉末59TribaloyX40-26Cr-14Ni-1Cu(wt％)20g，分别放入球磨机将粉末混合均匀，球磨机转速150r·min-1，混粉时间2h，熔覆前将上述两种混合粉末分别放置炉中，在150℃条件下烘干2h；
(3)使用玻璃棒将下层沉积层粉末FeCrBSi-SiC与水玻璃粘着剂(Na2O·nSiO2)充分搅拌混合涂覆于TC4基材10mm×10mm表面，厚度0.8mm，自然风干；采用激光熔覆工艺将上层沉积层粉末TribaloyX40-Cr-Ni-Cu通过同轴送粉方式对基材表面预置层进行熔覆处理，熔覆时采用氩气防止氧化，激光熔覆工艺参数：激光功率为900W，扫描速度为17mm/s，保护氩气流量为35L/min，多道搭接率为35％，送粉速度为14r/min。形成厚度约1.9mm的FeCrBSi-SiC及TribaloyX40-Cr-Ni-Cu非晶-中熵基激光沉积层，制得具有上述激光沉积层叠层的耐磨材料。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以TC4钛合金为基材，对基材表面预处理；
S2、将FeCrBSi-SiC粉末与粘结剂混合后涂覆于TC4钛合金基材表面，形成预置层；
S3、采用同轴送粉的方式在基材预置层表面激光熔覆TribaloyX40-Cr-Ni-Cu粉末，制得成品。
2.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，步骤S1中，基材表面预处理的方法为：采用砂纸打磨基材表面去除氧化物后用酒精及丙酮去除基材表面污渍，清水冲洗。
3.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，步骤S2中，FeCrBSi-SiC粉末包括如下重量百分数的组分：FeCrBSi 93％、SiC 7％，其中FeCrBSi、SiC纯度均＞99.5％。
4.如权利要求3所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，FeCrBSi包括如下重量百分数的化学成分：Si 8.20％、B 3.10％、Cr 2.60％，余量Fe；FeCrBSi的粉末粒径为40～60μm。
5.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，TC4钛合金基材包括如下重量百分数的化学成分：Fe 0.3％，Al 5.50％～6.80％，V3.50％～4.50％，C 0.10％，N 0.05％，H 0.015％，O 0.20％，余量Ti。
6.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，步骤S2中，粘结剂为水玻璃。
7.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，步骤S3中，TribaloyX40-Cr-Ni-Cu粉末包括如下重量百分数的化学成分：TribaloyX4059％、Cr 26％、Ni 14％、Cu 1％。
8.如权利要求7所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，TribaloyX40为粒径40～60μm的钴基合金粉末；TribaloyX40包括如下重量百分数的化学成分：C 0.85％、Cr 25％、Si 0.3％、W 7.5％、Fe 1.0％，Ni 10％、Mn 0.3％，余量为Co。
9.如权利要求1所述的激光熔覆制备钛合金非晶-中熵基耐磨材料的方法，其特征在于，步骤S3中，激光熔覆的工艺为：激光功率为700～900W，扫描速度为13～17mm/s，保护氩气流量为25～35L/min，多道搭接率为25％～35％，送粉速度为11～14r/min。
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