CN116024563B - 一种钛合金表面复合层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金表面复合层及其制备方法，属于钛合金表面复合层制备技术领域，所述钛合金表面复合层包括基块，基块上依次覆有涂层A、涂层B和涂层C；所述基块由ZT i 60钛合金和钛6铝4钒钛合金中的一种经预处理所得；涂层A由铝粉、水玻璃和无水乙醇制备得到；涂层B包括铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉；涂层C包括二氧化硅、氧化钾、氧化锆、氧化钙和氧化钼。所述钛合金表面复合层的制备方法，包括如下步骤：(1)制备混粉料；(2)涂层A的制备；(3)涂层B的制备；(4)涂层C的制备；(5)制备钛合金表面复合层成品。

Description

一种钛合金表面复合层及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金表面复合层制备技术领域，具体地，涉及一种钛合金表面复合层及其制备方法。

背景技术

作为一种在航空、航天、民用及军用工业等领域占据重要位置的金属材料，钛及其合金常表现出特有的力学性能，随着工业技术的飞速发展，钛及钛合金因其一系列优异的材料特性，更使其在世界范围内的受重视程度日益增加。目前，钛及钛合金的应用已从最初的航空航天领域向海洋、石油、化工及生物医学工程等领域不断拓展。

但由于目前在钛合金使用过程中还存在着耐磨性差、金属间相互接触产生相对运动就会产生摩擦磨损现象，而磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，于是人们在此基础上对钛合金表面改性处理技术进行研究，做出了钛合金表面复合层材料以解决耐磨性差的问题，但是在添加了复合层后又引起了钛合金与复合层结合性能弱的问题，因此，研究一款能提高钛合金摩擦磨损性能和结合性能的钛合金表面复合层对社会的发展具有重大的战略意义和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金表面复合层及其制备方法，在涂层B的制备中添加了铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉，其中，铝粉充当粘结相，而增强相由二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉共同组成，四者共同产生反应，使得复合涂层与基块的结合性能得到极大改善；制备了涂层A，涂层A中的元素可与钛合金基体中的钛元素发生固相扩散或反应，对整个钛合金复合层起辅助作用，有助于提升钛合金表面复合层的耐磨性；采用逐级添粉、层层覆制的工艺方法，加以适宜的工艺参数，制备出的钛合金表面复合层能大大增强钛合金的表面性能。

本发明要解决的技术问题：提高钛合金表面复合层的结合性能及耐磨性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种钛合金表面复合层，包括基块，基块上依次覆有涂层A、涂层B和涂层C；

所述基块由ZTi60钛合金和钛6铝4钒钛合金中的一种经预处理所得，

所述涂层A由铝粉、水玻璃和无水乙醇制备得到；

所述涂层B包括铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉；

所述涂层C包括二氧化硅、氧化锆、氧化钙和氧化钼。

进一步地，所述基块的预处理，包括如下步骤：

将ZTi60钛合金和钛6铝4钒钛合金中的一种切割成直径为15-20mm，厚度为1-3mm的圆形试样，用SiC水砂纸将圆形试样打磨，然后用金刚石和氧化铝抛光液将圆形试样抛光，抛光完成后将试样用丙酮超声波清洗10-12min，再用无水乙醇超声波清洗8-10min，最后用超纯水超声波清洗10-15min，控温70-85℃真空干燥1-1.5h，得到基块。

一种钛合金表面复合层的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备混粉料：将铝粉、水玻璃和无水乙醇离心搅拌均匀，得到喷涂料，将喷涂料送入雾化器中，继而分裂成无数液滴，随后，液滴喷射至加热区并雾化成微细的球形雾滴，而溶剂迅速蒸发，由此制得干燥的混粉料，收集，备用；

(2)涂层A的制备：采用行星式球磨机，将两个不同直径的磨球、步骤(1)制得的混粉料和经预处理后的基块放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨工艺参数，进行球磨，制得覆有涂层A的基块A；

(3)涂层B的制备：采用行星式球磨机，将铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉混合均匀，与步骤(2)制得基块A一同放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨工艺参数，进行球磨，制得覆有涂层B的基块B；

(4)涂层C的制备：将二氧化硅粉、氧化钾粉、氧化钙粉和氧化钼粉机械混合均匀并研磨、过筛，收集粒径为0.52-3.33μm的混合颗粒；取收集的混合颗粒，加入无水乙醇，搅拌均匀，得到喷涂液，调节喷枪距步骤(3)制得的基块B的距离及喷枪压力，将喷涂液均匀喷涂至基块B上，喷涂厚度控制为8-12μm，得到覆有涂层C的基块C；

(5)制备钛合金表面复合层成品：将步骤(4)制得的基块C悬挂于干燥箱，控温烘干，得到待烧结样，将待烧结样控温烧结，烧结完成后冷却至室温，得到钛合金表面复合层成品。

进一步地，步骤(1)中所述铝粉的纯度为99.8％、粒径为5-8μm，所述铝粉、水玻璃和无水乙醇的质量比为3-5：5-10：660-770。

进一步地，步骤(2)中所述两个不同直径的磨球分别为6mm和8mm的磨球，所述磨球和混粉料的质量比为280-320：27-33，所述球磨的转速为280-330rmp，球磨时间为3-4h。

进一步地，步骤(2)和步骤(3)中所述行星式球磨机，在球磨前均需充入氩气气体；充入惰性气体氩气进行保护研磨，能有效避免铝粉发生的自燃或爆炸。

进一步地，步骤(3)中所述铝粉粒度为5-7μm、纯度为99.8％，二氧化钛粉粒度≤20μm、纯度为99％，铬粉粒度≤70μm、纯度为99.95％，碳化硼粉粒度≤70μm、纯度为99％，所述铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉质量比为11-20：28-51：30-57：42-63。

进一步地，步骤(3)中所述球磨的转速为300-350rmp，球磨时间为3-3.5h。

进一步地，步骤(4)中所述二氧化硅粉、氧化钾粉、氧化钙粉和氧化钼粉质量比为55-61：4-6：17-20：3-4；

二氧化硅中的四价硅离子具有较高的电荷、较小的原子半径，可与氧负离子形成很强的硅氧四面体，使得涂层具有形成较大的、形状不规则的、短程有序的离子聚集体的倾向性；氧化钾粉起到助熔兼起调整涂层物理化学性能的作用；而加入氧化钼粉可以显著提高涂层间的结合强度。

进一步地，步骤(4)中所述混合颗粒和无水乙醇重量份比为8-13：700-720，所述喷枪距基块B的距离为35-50cm，喷枪压力为1-1.5MPa。

进一步地，步骤(5)中所述控温烘干的温度为100-110℃，烘干时间为1-2h，所述控温烧结温度为880-950℃，烧结时间为20-40min。

本发明的有益效果：

(1)本发明制备了涂层A，涂层A中的元素可与钛合金基体中的钛元素发生固相扩散或反应，对整个钛合金复合层起辅助作用，有助于充分发挥钛合金基块与各涂层的自身优势，同时助力提高涂层与金属基块之间的致密性，进而提升了钛合金表面复合层的耐磨性。

(2)本发明在涂层B的制备中添加了铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉，其中，铝粉充当粘结相，而增强相由二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉共同组成，四者共同产生反应，在磨球的撞击作用下覆到基块表面，复合涂层内部的部分残余应力转变为复合涂层的塑性变形而释放，从而复合涂层的内部缺陷减少，复合涂层与基块的结合性能得到极大改善。

(3)采用逐级添粉、层层覆制的工艺方法，加以适宜的工艺参数，制备出的钛合金表面复合层能大大增强钛合金的表面性能，此外，还可以根据不同的实际需求替换制备过程中的材料以制备同体系异组分甚至异体系的钛合金表面复合层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

基块的预处理，包括如下步骤：

将ZTi60钛合金切割成直径为20mm，厚度为2mm的圆形试样，用SiC水砂纸将圆形试样打磨，然后用金刚石和氧化铝抛光液将圆形试样抛光，抛光完成后将试样用丙酮超声波清洗10min，再用无水乙醇超声波清洗10min，最后用超纯水超声波清洗15min，控温85℃真空干燥1h，得到基块。

实施例2

基块的预处理，包括如下步骤：

将ZTi60钛合金切割成直径为15mm，厚度为3mm的圆形试样，用SiC水砂纸将圆形试样打磨，然后用金刚石和氧化铝抛光液将圆形试样抛光，抛光完成后将试样用丙酮超声波清洗12min，再用无水乙醇超声波清洗9min，最后用超纯水超声波清洗10min，控温70℃真空干燥1h，得到基块。

实施例3

基块的预处理，包括如下步骤：

将ZTi60钛合金切割成直径为20mm，厚度为1mm的圆形试样，用SiC水砂纸将圆形试样打磨，然后用金刚石和氧化铝抛光液将圆形试样抛光，抛光完成后将试样用丙酮超声波清洗10min，再用无水乙醇超声波清洗8min，最后用超纯水超声波清洗12min，控温78℃真空干燥1.5h，得到基块。

实施例4

钛合金表面复合层的制备，包括如下步骤：

(1)制备混粉料：将纯度为99.8％、粒径为5μm的铝粉3g、水玻璃10g和无水乙醇715g离心搅拌均匀，得到喷涂料，将喷涂料送入雾化器中，继而分裂成无数液滴，随后，液滴喷射至加热区并雾化成微细的球形雾滴，而溶剂迅速蒸发，由此制得干燥的混粉料，收集，备用；

(2)涂层A的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将两个直径分别为6mm和8mm共重280g的磨球、步骤(1)制得的33g混粉料和经实施例1预处理后的基块放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为330rmp，球磨时间为3.5h，进行球磨，制得覆有涂层A的基块A；

(3)涂层B的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将粒径5μm纯度为99.8％的铝粉16g、粒度20μm纯度为99％二氧化钛粉28g、粒度70μm纯度为99.95％铬粉57g和粒度70μm纯度为99％碳化硼粉63g混合均匀，与步骤(2)制得基块A一同放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为350rmp，球磨时间为3h，进行球磨，制得覆有涂层B的基块B；

(4)涂层C的制备：将二氧化硅粉58g、氧化钾粉4g、氧化钙粉17g和氧化钼粉3g机械混合均匀并研磨、过筛，收集粒径为0.52μm的混合颗粒，取收集的混合颗粒8重量份，加入无水乙醇720重量份，搅拌均匀，得到喷涂液，调节喷枪距步骤(3)制得的基块B的距离为50cm、喷枪压力1.5MPa，将喷涂液均匀喷涂至基块B上，喷涂厚度控制为10μm，得到覆有涂层C的基块C；

(5)制备钛合金表面复合层成品：将步骤(4)制得的基块C悬挂于干燥箱，控温100℃烘干2h，得到待烧结样，将待烧结样控温950℃烧结30min，烧结完成后冷却至室温，得到钛合金表面复合层成品。

实施例5

钛合金表面复合层的制备，包括如下步骤：

(1)制备混粉料：将纯度为99.8％、粒径为8μm的铝粉4g、水玻璃5g和无水乙醇660g离心搅拌均匀，得到喷涂料，将喷涂料送入雾化器中，继而分裂成无数液滴，随后，液滴喷射至加热区并雾化成微细的球形雾滴，而溶剂迅速蒸发，由此制得干燥的混粉料，收集，备用；

(2)涂层A的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将两个直径分别为6mm和8mm共重300g的磨球、步骤(1)制得的27g混粉料和经实施例1预处理后的基块放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为280rmp，球磨时间为3h，进行球磨，制得覆有涂层A的基块A；

(3)涂层B的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将粒径6μm纯度为99.8％的铝粉11g、粒度19μm纯度为99％二氧化钛粉51g、粒度70μm纯度为99.95％铬粉30g和粒度70μm纯度为99％碳化硼粉42g混合均匀，与步骤(2)制得基块A一同放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为300rmp，球磨时间为3h，进行球磨，制得覆有涂层B的基块B；

(4)涂层C的制备：将二氧化硅粉55g、氧化钾粉5g、氧化钙粉18g和氧化钼粉4g机械混合均匀并研磨、过筛，收集粒径为3.33μm的混合颗粒，取收集的混合颗粒10重量份，加入无水乙醇710重量份，搅拌均匀，得到喷涂液，调节喷枪距步骤(3)制得的基块B的距离为35cm、喷枪压力1.5MPa，将喷涂液均匀喷涂至基块B上，喷涂厚度控制为8μm，得到覆有涂层C的基块C；

(5)制备钛合金表面复合层成品：将步骤(4)制得的基块C悬挂于干燥箱，控温105℃烘干1h，得到待烧结样，将待烧结样控温880℃烧结40min，烧结完成后冷却至室温，得到钛合金表面复合层成品。

实施例6

钛合金表面复合层的制备，包括如下步骤：

(1)制备混粉料：将纯度为99.8％、粒径为7μm的铝粉5g、水玻璃8g和无水乙醇770g离心搅拌均匀，得到喷涂料，将喷涂料送入雾化器中，继而分裂成无数液滴，随后，液滴喷射至加热区并雾化成微细的球形雾滴，而溶剂迅速蒸发，由此制得干燥的混粉料，收集，备用；

(2)涂层A的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将两个直径分别为6mm和8mm共重320g的磨球、步骤(1)制得的30g混粉料和经实施例1预处理后的基块放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为305rmp，球磨时间为4h，进行球磨，制得覆有涂层A的基块A；

(3)涂层B的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将粒径7μm纯度为99.8％的铝粉20g、粒度20μm纯度为99％二氧化钛粉40g、粒度69μm纯度为99.95％铬粉43g和粒度69μm纯度为99％碳化硼粉53g混合均匀，与步骤(2)制得基块A一同放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为3250rmp，球磨时间为3.5h，进行球磨，制得覆有涂层B的基块B；

(4)涂层C的制备：将二氧化硅粉61g、氧化钾粉6g、氧化钙粉20g和氧化钼粉3g机械混合均匀并研磨、过筛，收集粒径为1.93μm的混合颗粒，取收集的混合颗粒13重量份，加入无水乙醇700重量份，搅拌均匀，得到喷涂液，调节喷枪距步骤(3)制得的基块B的距离为42cm、喷枪压力1MPa，将喷涂液均匀喷涂至基块B上，喷涂厚度控制为12μm，得到覆有涂层C的基块C；

(5)制备钛合金表面复合层成品：将步骤(4)制得的基块C悬挂于干燥箱，控温110℃烘干1.5h，得到待烧结样，将待烧结样控温910℃烧结20min，烧结完成后冷却至室温，得到钛合金表面复合层成品。

对比例1

与实施例6相比，不进行步骤(1)制备混粉料和步骤(2)涂层A的制备，只进行步骤(3)涂层B的制备、步骤(4)涂层C的制备和步骤(5)制备钛合金表面复合层成品。

对比例2-9

与实施例6相比，步骤(3)中铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉质量如表1所示，其余步骤和参数均相同。

表1

	铝粉(g)	二氧化钛粉(g)	铬粉(g)	碳化硼粉(g)
					对比例2	10	43	47	56
对比例3	21	39	43	53
					对比例4	20	27	50	59
对比例5	16	52	39	49
					对比例6	20	48	27	61
对比例7	15	34	60	47
					对比例8	19	47	50	40
对比例9	16	36	39	65

性能检测

(1)耐磨性：采用型号为SFT-2M的销盘式摩擦磨损试验机对实施例4-6和对比例1制得的钛合金表面复合层的摩擦磨损性能进行测试，磨球选择钢球，载荷为30N，转速为400r/min，加载时间设定10min，结合微积分的方法测量磨痕的横截面积，按照如下公式进行计算：

其中，V——磨损体积(mm³)；

r——中心距(mm)；

n——转速(r/min)；

t——磨损时间(min)；

N——载荷(N)。

(2)结合强度：采用型号为MFT-4000的划痕试验机对实施例4-6和对比例2-9制得的钛合金表面复合层进行结合强度测试，在划痕试验开始前，先分别采用丙酮和乙醇对试样进行超声波清洗，以去除涂层表面的异物，提高检测精度，清洗时间为15min。测试时，锥形金刚石压头垂直作用于涂层表面，设定试验参数为：加载速率5N/min，加载范围0-30N，划痕速度1mm/min，划痕长度6mm，其结果如表2所示。

表2

由表2可知，本发明制备的钛合金表面复合层具有突出的耐磨性能。本发明制备了涂层A，涂层A中的元素可与钛合金基体中的钛元素发生固相扩散或反应，对整个钛合金复合层起辅助作用，有助于充分发挥钛合金基块与各涂层的自身优势，同时助力提高涂层与金属基块之间的致密性，进而提升了钛合金表面复合层的耐磨性；

涂层结合力是指复合涂层与基块金属的结合强度，即单位表面积的复合涂层从基块金属剥离所需要的力，由表2可知，本发明制备的钛合金表面复合层具有优异的结合强度。本发明在涂层B的制备中添加了铝粉、二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉，其中，铝粉充当粘结相，而增强相由二氧化钛粉、铬粉和碳化硼粉共同组成，四者共同产生反应，在磨球的撞击作用下覆到基块表面，复合涂层内部的部分残余应力转变为复合涂层的塑性变形而释放，从而复合涂层的内部缺陷减少，复合涂层与基块的结合性能得到极大改善。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种钛合金表面复合层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

（1）基块的预处理，包括如下步骤：

将ZTi60钛合金切割成直径为20mm，厚度为2mm的圆形试样，用SiC水砂纸将圆形试样打磨，然后用金刚石和氧化铝抛光液将圆形试样抛光，抛光完成后将试样用丙酮超声波清洗10min，再用无水乙醇超声波清洗10min，最后用超纯水超声波清洗15min，控温85℃真空干燥1h，得到基块；

（2）制备混粉料：将纯度为99.8%、粒径为7μm的铝粉5g、水玻璃8g和无水乙醇770g离心搅拌均匀，得到喷涂料，将喷涂料送入雾化器中，继而分裂成无数液滴，随后，液滴喷射至加热区并雾化成微细的球形雾滴，而溶剂迅速蒸发，由此制得干燥的混粉料，收集，备用；

（3）涂层A的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将两个直径分别为6mm和8mm共重320g的磨球、步骤（2）制得的30g混粉料和经步骤（1）预处理后的基块放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为305rmp，球磨时间为4h，进行球磨，制得覆有涂层A的基块A；

（4）涂层B的制备：采用行星式球磨机，在球磨前充入氩气气体，将粒径7μm纯度为99.8%的铝粉20g、粒度20μm纯度为99%二氧化钛粉40g、粒度69μm纯度为99.95%铬粉43g和粒度69μm纯度为99%碳化硼粉53g混合均匀，与步骤（3）制得基块A一同放入球磨罐中，密封球磨罐，调整球磨的转速为3250rmp，球磨时间为3.5h，进行球磨，制得覆有涂层B的基块B；

（5）涂层C的制备：将二氧化硅粉61g、氧化钾粉6g、氧化钙粉20g和氧化钼粉3g机械混合均匀并研磨、过筛，收集粒径为1.93μm的混合颗粒，取收集的混合颗粒13重量份，加入无水乙醇700重量份，搅拌均匀，得到喷涂液，调节喷枪距步骤（4）制得的基块B的距离为42cm、喷枪压力1MPa，将喷涂液均匀喷涂至基块B上，喷涂厚度控制为12μm，得到覆有涂层C的基块C；

（6）制备钛合金表面复合层成品：将步骤（5）制得的基块C悬挂于干燥箱，控温110℃烘干1.5h，得到待烧结样，将待烧结样控温910℃烧结20min，烧结完成后冷却至室温，得到钛合金表面复合层成品。

2.一种如权利要求1所述的钛合金表面复合层的制备方法制得的钛合金表面复合层。