CN116180074A - 高速激光熔覆钛基涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速激光熔覆钛基涂层及其制备方法和应用，所述高速激光熔覆钛基涂层的制备原料包括Ti粉和以下按质量百分比计的组分：不锈钢粉20％‑30％，AlN粉4％‑10％，SiC粉20％‑30％，V粉3％‑5％，其中，所述不锈钢粉选自304不锈钢粉或316不锈钢粉中的一种或两种。本发明基于组分配合，能很好地兼顾涂层厚度、耐磨性和冲击韧性。本发明还提供了上述高速激光熔覆钛基涂层的制备方法和应用。

Description

高速激光熔覆钛基涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及钛合金涂层领域，特别涉及一种高速激光熔覆钛基涂层及其制备方法和应用。

背景技术

钛及钛合金具备独特性质，比如密度小、熔点高、比强度高、耐多种介质腐蚀、宽温域耐温性好、可加工性好、有形状记忆特性等，是航空、航天、航海、石油开采及军事应用的首选材料。但是，钛及钛合金不具备耐磨性，又不能通过金属热处理提高其耐磨性，这一缺陷明显限制了其应用范围。比如，对于坦克履带链或防弹板挂件等军工产品，用纯钛或TC4钛合金等远远不能满足技术要求。

常规改性方法是在钛或钛合金表面制备高硬度涂层，会造成冲击韧性显著下降，难以兼顾涂层韧性和耐磨性，且该方法需要经过复杂工序加工，无法高效率获得性能稳定的涂层，难以实现规模化生产。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高速激光熔覆钛基涂层，适用于钛及钛合金基体，能在保证冲击韧性的同时，显著提升耐磨性，极大地拓宽了钛及钛合金的应用范畴。

本发明还提出上述高速激光熔覆钛基涂层的制备方法。

本发明还提出上述高速激光熔覆钛基涂层的应用。

本发明第一方面实施例涉及一种高速激光熔覆钛基涂层，其制备原料包括Ti粉和以下按质量百分比计的组分：

不锈钢粉20％-30％，

AlN粉4％-10％，

SiC粉20％-30％，

V粉3％-5％，

其中，所述不锈钢粉选自304不锈钢粉或316不锈钢粉中的一种或两种。

根据本发明第一方面实施例的高速激光熔覆钛基涂层，至少具有如下有益效果：

AlN和SiC在高温下分解，释放Al、N、C元素，Si大部分逸出。Ti在高温下化学性质活泼，能与N、C原位形成氮化钛、碳化钛、碳氮化钛等陶瓷相化合物，具有极高的硬度。Ti与Al、Fe等形成填隙式固溶体或金属间化合物，兼顾硬度和韧性。Ti还能与不锈钢粉中的多种元素(Cr、Ni、Mo等)及V形成间隙固溶体、置换固溶体，进而使涂层获得远高于钛或钛合金本身的耐磨性，并具有良好的冲击韧性。

如果仅添加强钛化物形成元素，能够提高硬度，但由于硬质相密度太高，缺少对载荷的缓冲，表现出硬脆性。此外，硬质相具有很高的结合强度和化学稳定性，涂层很难做厚，特别是在快速熔覆工艺下，涂层更难做厚，一般很难超过0.3mm，否则极易出现开裂或剥落。本发明基于不锈钢粉与其他组分配合，能够提高涂层厚度(涂层厚度高达1.8mm)和耐磨性，并保证韧性，极大地提高了涂层的综合性能。

本发明基于组分配比设计，能通过高速激光熔覆工艺实现与钛基母材间的冶金结合，既保留了钛基母材自身优势，又能兼顾耐磨性、冲击韧性和涂层厚度，对拓宽钛及钛合金的应用范畴做出了重要贡献。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述不锈钢粉的质量分数为20％-28％。不锈钢粉起到明显的增韧作用，随着不锈钢粉含量逐渐提高，Ti含量相应下降，与基体结合强度变差，造成熔覆效果变差，更容易出现涂层脱落开裂问题。在上述不锈钢粉的用量范围内能更好地兼顾韧性和可熔覆性，并提高涂层厚度。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述不锈钢粉的粒度不粗于320目。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述不锈钢粉选自316不锈钢粉，具有更优异的耐氯离子腐蚀性能。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述AlN粉的质量分数为5％-10％。AlN起增韧和提高耐磨性的作用，但其用量过高时，熔覆效果不好，涂层容易出现裂纹。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述AlN粉的粒度不粗于400目。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高速激光熔覆钛基涂层的厚度为0.5-1.8mm。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高速激光熔覆钛基涂层的厚度为0.7-1.8mm。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高速激光熔覆钛基涂层的厚度为1-1.8mm，例如可以是1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述SiC粉为α晶型，其分解更彻底，更利于提高涂层整体性能。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述SiC粉的粒度不粗于280目。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述V粉的粒度不粗于400目。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述Ti粉的粒度不粗于400目。

本发明第二方面实施例涉及所述的高速激光熔覆钛基涂层的制备方法，包括步骤：

将上述制备原料的所有组分混合，经高速激光熔覆工艺制得。

高速激光熔覆线速度快，一般为数米每分钟，具有骤热骤冷的特点，在骤热过程中，部分组分分解，与母材原位生成硬质相，骤冷过程可以避免硬质相过度生长，利于形成细致均匀的硬质相，但骤冷过程也容易造成涂层内应力而出现开裂。本发明结合组分配方设计，能够通过高速激光熔覆工艺获得更厚的涂层，既保留了钛基母材自身的优点，又能兼顾涂层的耐磨性、冲击韧性和厚度，可用于钛及钛合金的表面处理，拓宽该类材料的应用范畴。同时，该方法生产效率高，工艺稳定性好，便于实现工业化生产。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述高速激光熔覆的功率为4-8kW，线速度为4000-11000mm/min，送粉量为1-3.8mL/s，步距为0.5-1.5mm。

随着功率的提高，激光能量增加，适配的线速度、送粉量可以适当增加，步距可以不变或根据实际情况增加，以避免基体变形。上述工艺参数范围能更好地保证涂层性能，并提高涂层厚度和熔覆效率。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述高速激光熔覆的功率为4-6kW，线速度为4000-6000mm/min，送粉量为1-2mL/s，步距为0.5-1mm。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述高速激光熔覆的功率为6-8kW，线速度为6000-10000mm/min，送粉量为1.6-2.5mL/s，步距为1-1.5mm。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述混合包括：将各组分调制成浆料，并进行造粒。

制浆和造粒用于改善粉体的分散均匀性和流动性，提高熔覆效果，利于增加涂层厚度，改善涂层性能。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述造粒采用离心喷雾干燥实现。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述造粒的粒度不粗于100目。

本发明第三方面实施例涉及一种钛基制品，其包含上述的高速激光熔覆钛基涂层。

根据本发明第三方面的一些实施例，所述钛基制品的母材材质可以是纯钛或钛合金，其中钛合金可以是TC4等常见类型。

根据本发明第三方面的一些实施例，所述钛基制品可以是坦克履带链或防弹板挂件等军工产品。

本发明第四方面实施例涉及所述的高速激光熔覆钛基涂层或所述的钛基制品在军工、石油开采、航海、航空、航天领域的应用。

可以理解，钛基材料特别是钛合金材料在上述领域具有成熟应用，由于本发明的涂层能兼顾耐磨性、冲击韧性和涂层厚度，能更好地满足上述领域的使用要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例1的涂层外观。

图2是本发明对比例3的涂层外观。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下实施例和对比例中，Ti粉的粒度不粗于400目；304不锈钢粉、316不锈钢粉的粒度不粗于320目；AlN粉、V粉的粒度不粗于400目，SiC粉的粒度不粗于280目。TiC粉、WC粉的粒度不粗于280目；纯Fe粉的粒度不粗于320目，纯度99.9％。所有原料均为常规市售材料。

实施例1

本实施例制备了一种高速激光熔覆钛基涂层，制备原料配比见表1。

其制备方法包括如下步骤：

(1)将各组分按配比加水制浆，进行离心喷雾干燥，过100目筛，制成粒度不粗于100目的混合粉末；

(2)取TC4钛合金为母材，将该混合粉末通过高速激光熔覆工艺于母材上形成涂层，其中，高速激光熔覆的参数为：功率6kW，线速度6000mm/min，送粉量1.6mL/s，步距0.6mm。

涂层外观如图1所示，可以看出，涂层与基体结合紧密，没有出现裂纹或剥落现象。

实施例2

本实施例制备了一种高速激光熔覆钛基涂层，其制备原料配比同实施例1。

其制备方法参考实施例1，区别在于，高速激光熔覆的参数为：功率为8kW，线速度10000mm/min，送粉量2.5mL/s，步距1.2mm。

实施例3

本实施例制备了一种高速激光熔覆钛基涂层，其制备原料配比同实施例1。

其制备方法参考实施例1，区别在于，高速激光熔覆的参数为：功率为4kW，线速度4500mm/min，送粉量1mL/s，步距0.6mm。

实施例4

参考实施例1的制备方法，区别在于：不锈钢粉为316不锈钢粉，且部分原料配比不同，具体如表1所示。

实施例5

参考实施例1的制备方法，区别在于SiC粉和Ti粉含量不同，具体如表1所示。

实施例6

参考实施例1的制备方法，区别在于AlN粉和Ti粉含量不同，具体如表1所示。

对比例1

本对比例制备了一种高速激光熔覆钛基涂层，其制备原料配比见表1。

其制备方法包括如下步骤：

(1)将各组分按配比加水制浆，进行离心喷雾干燥，过100目筛，制成粒度不粗于100目的混合粉末；

(2)取TC4钛合金为母材，将该混合粉末通过高速激光熔覆工艺于母材上形成涂层，其中，高速激光熔覆的参数为：功率5kW，线速度5400mm/min，送粉量1.5mL/s，步距0.6mm。

对比例2

本对比例制备了一种高速激光熔覆钛基涂层，其制备原料配比见表1。

其制备方法包括如下步骤：

(1)将各组分按配比加水制浆，进行离心喷雾干燥，过100目筛，制成粒度不粗于100目的混合粉末；

(2)取TC4钛合金为母材，将该混合粉末通过高速激光熔覆工艺于母材上形成涂层，其中，高速激光熔覆的参数为：功率6kW，线速度5400mm/min，送粉量1.5mL/s，步距0.6mm。

对比例3

参考实施例1的制备方法，区别在于：将304不锈钢粉替换为等量的Ti粉，其余组分用量不变，具体如表1所示。

涂层外观如图2所示，可以看出，涂层出现大面积剥落，不能形成连续涂层。

对比例4

参考实施例1的制备方法，区别在于：将304不锈钢粉替换为等量的纯Fe粉，具体如表1所示。

对比例5

参考实施例1的制备方法，区别在于AlN粉和Ti粉含量不同，具体如表1所示。

对比例6

参考实施例1的制备方法，区别在于SiC粉和Ti粉含量不同，具体如表1所示。

对比例7

参考实施例1的制备方法，区别在于SiC粉和Ti粉含量不同，具体如表1所示。

各个实施例和对比例的制备原料及其激光熔覆工艺参数对比如表1所示，余量为Ti粉，未在表1中列出。

表1各个实施例和对比例的制备原料及其激光熔覆工艺参数对比

测试例

测试了各个实施例和部分对比例的涂层厚度、耐磨性和冲击韧性。其中，涂层厚度采用本领域通用测试方法，其余测试方法如下：

耐磨性：UMT-3摩擦磨损试验机，试验条件：转速300rpm，载荷50N，时间60min，记录磨损量(mg)。

冲击韧性：用

的硬质合金截齿头300N力冲击，需满足冲击次数达60次以上无裂纹。

测试结果如表2所示。

表2各个实施例和对比例的涂层性能对比

	厚度/mm	磨损量/mg	冲击次数
				实施例1	1.2	0.55	＞60次，无裂纹
实施例2	1.8	0.55	＞60次，无裂纹
				实施例3	0.7	0.59	＞60次，无裂纹
实施例4	1.4	0.69	＞60次，无裂纹
				实施例5	1.1	0.5	＞60次，无裂纹
实施例6	1.2	0.51	＞60次，无裂纹
				对比例1	1.4	/	/
对比例2	1.4	/	/
				对比例4	1.2	0.88	＞60次，无裂纹
对比例5	1.2	0.59	55次，有裂纹
				对比例7	1.2	1.2	＞60次，无裂纹

其中，对比例3(未添加不锈钢粉)、对比例6(SiC用量过多)在熔覆过程中涂层崩落，不能通过高速激光熔覆制得涂层，因此没有进行涂层性能测试。对比例1和对比例2的涂层存在裂纹，表明涂层发脆，难以通过高速激光熔覆制得满足性能要求的涂层，且涂层难以做厚。

由表2可以看出，本发明的高速激光熔覆涂层厚度达0.7-1.8mm，同时耐磨性优异，且冲击韧性好。由对比例4和实施例1的比较可以看出，将304不锈钢粉替换为纯Fe粉后，涂层磨耗显著增加。由对比例5和实施例1的比较可以看出，AlN粉用量降低至2％时，冲击韧性降低，磨耗有所增加。由对比例7和实施例1的比较可以看出，SiC用量不足时，涂层磨耗急剧增加。

由上述结果可以看出，组分配比对涂层性能有明显影响，本发明基于组分搭配，能够通过高速激光熔覆工艺在钛基母材上制得耐磨涂层，既保留了钛基母材自身的优点，又能兼顾涂层的耐磨性、冲击韧性和厚度。由于具有上述优异特性，本发明可用于钛及钛合金的表面处理，尤其军工、石油开采、航海、航空、航天等领域。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种高速激光熔覆钛基涂层，其特征在于，其制备原料包括Ti粉和以下按质量百分比计的组分：

不锈钢粉20％-30％，

AlN粉4％-10％，

SiC粉20％-30％，

V粉3％-5％，

其中，所述不锈钢粉选自304不锈钢粉或316不锈钢粉中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆钛基涂层，其特征在于，所述不锈钢粉的质量分数为20％-28％，和/或所述AlN粉的质量分数为5％-10％。

3.根据权利要求1所述的高速激光熔覆钛基涂层，其特征在于，所述SiC粉为α晶型。

4.根据权利要求1所述的高速激光熔覆钛基涂层，其特征在于，所述Ti粉的粒度不粗于400目，和/或所述不锈钢粉的粒度不粗于320目，和/或所述AlN粉的粒度不粗于400目，和/或所述SiC粉的粒度不粗于280目，和/或所述V粉的粒度不粗于400目。

5.根据权利要求1所述的高速激光熔覆钛基涂层，其特征在于，所述高速激光熔覆钛基涂层的厚度为0.5-1.8mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的高速激光熔覆钛基涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：将所述制备原料的所有组分混合，经高速激光熔覆工艺制得。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高速激光熔覆的功率为4-8kW，线速度为4000-11000mm/min，送粉量为1-3.8mL/s，步距为0.5-1.5mm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混合包括：将各组分调制成浆料，并进行造粒；进一步地，所述造粒的粒度不粗于100目，和/或所述造粒采用离心喷雾干燥实现。

9.一种钛基制品，其特征在于，所述钛基制品包括如权利要求1-5任一项所述的高速激光熔覆钛基涂层。

10.如权利要求1-5任一项所述的高速激光熔覆钛基涂层或如权利要求9所述的钛基制品在军工、石油开采、航海、航空、航天领域的应用。

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