CN116352107A - 一种激光制备tc17钛合金多元细化耐磨叠层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,该方法中,在TC17的表面通过LMD处理依次得到底部涂层和顶部涂层,顶部涂层位于底部涂层的上面;底部涂层,沉积Stellite31PM粉末后,经LMD处理后得到;顶部涂层,在底部涂层的上面采用Stellite31PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合后,经LMD处理后得到。使用本发明提供的方法,能够获得多物相涂层,耐磨性得到明显的增强,发明具有操作简单、增强效果明显、工艺普遍、便于推广使用等优点。

Description

一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化技术领域,具体涉及一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法。
背景技术
激光熔化沉积(LMD)作为一种激光增材制造技术,利用激光热源使粉末受热后快速冷却,通过多层沉积实现零件的直接制备,具有成型效率高、加工精度高等优点,通过沉积不同成分的粉末可提升材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性及抗氧化性等性能,应用范围广阔。
Stellite系钴基合金因具有强度高、耐磨、耐腐蚀等优点,可应用于化工、航天、石油等领域。Si3N4是典型的高硬度陶瓷材料,硬度大且耐磨性好,Zr、Mo利于碳化物的生成且能有效细化LMD层的组织结构。因此,Si3N4、Zr、Mo常用作为改善涂层耐磨性的多元素,制备多元细化耐磨防护层。
TC17钛合金具有比强度高、质量轻、耐腐蚀性能优异的优点,是制造飞机发动机、火箭零部件的常用材料。然而由于TC17钛合金塑性剪切抗力和加工硬化率较低,导致TC17钛合金表面显微硬度低,耐磨损性能较差,极大的限制了钛合金在工业生产中的实际应用。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,该方法中,在TC17的表面通过LMD处理依次得到底部涂层和顶部涂层,顶部涂层位于底部涂层的上面;底部涂层,沉积Stellite31 PM粉末后,经LMD处理后得到;顶部涂层,在底部涂层的上面采用Stellite31 PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合后,经LMD处理后得到。使用本发明提供的方法,能够获得多物相涂层,耐磨性得到明显的增强,发明具有操作简单、增强效果明显、工艺普遍、便于推广使用等优点。
本发明的技术方案如下:
一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,主要为:在TC17的表面通过LMD处理依次得到底部涂层和顶部涂层,顶部涂层位于底部涂层的上面;
底部涂层,沉积Stellite31 PM粉末后,经LMD处理后得到;
顶部涂层,在底部涂层的上面采用Stellite31 PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合后,经LMD处理后得到。
优选的,上述激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,过程如下:
(1)将TC17用不同粗细程度的砂纸由粗至细打磨并抛光,直至表面平整光滑无划痕;然后去除氧化膜后进行清洗、吹干;
(2)调整激光参数,然后采用同轴送粉的方式在TC17上沉积Stellite31PM粉末;同时在该条件下配以99.9%氩气保护气,LMD处理后形成底部涂层;
(3)在底部涂层的上面采用Stellite31 PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合粉末进行LMD处理,工艺参数同步骤(2),形成顶部涂层,从而在TC17上具有多元细化耐磨叠层。
优选的,在步骤(1)中,使用丙酮去除TC17表面的氧化膜。
优选的,所述TC17化学成分(wt%)为:Al 4.60%,Mo 4.01%,Zr 1.90%,C0.02%,00.107%,Sn 1.72%,Cr 3.81%,N 0.01%,Fe 1%,余量Ti;
TC17中的部分Ti元素会由于稀释作用进入熔池,与涂层中N元素、Co元素等发生原位反应生成硬质增强相,进一步增强耐磨损性能。
优选的,在步骤(2)中,将激光参数调整为激光功率1100-1300W,激光束扫描速率13-15mm/s,光斑直径3mm,搭接率25-30%,采用同轴送粉方式在TC17上沉积Stellite31 PM粉末,送粉速度13g/min,同时在该条件下配以99.9%氩气保护气,流速30L/min,LMD处理后形成底部涂层;吹送氩气保护熔池及镜筒;由于TC17钛合金表面不会产生较强的光线反射,因此实验过程中,保持激光头与工件相互垂直。
优选的,在步骤(2)中,所述Stellite31 PM的化学成分(wt%):C 0.50%,Cr25.50%,Si 1.0%,Mn 1.0%,Fe 2.0%,W 7.50%,Ni 1.50%,B 1.0%;各组分纯度大于99.5%。
优选的,在步骤(3)中,所述顶部涂层成分比例(wt%):Stellite31 PM88%,Si3N47%,(Mo-Zr)5%;其中Mo、Zr质量分数相同;各组分纯度大于99.5%;将Stellite31PM、Si3N4、Mo、Zr粉末充分混合,并烘干。
优选的,所述Stellite31 PM粉末尺寸在50-200μm之间,Si3N4粉末尺寸在50-150μm之间,Mo与Zr混合粉末尺寸在50-100μm之间。
相对于现有技术,本发明的有益效果在于:
1、本发明中,采用激光熔化沉积及同轴送粉方式,在TC17的上面制备底部涂层,在底部涂层的上面制备顶部涂层,有效提高TC17钛合金的耐磨性。
2、使用本发明提供的方法,能够获得多物相涂层,耐磨性得到明显的增强,发明具有操作简单、增强效果明显、工艺普遍、便于推广使用等优点。
3、本发明提供的方法,制备出多元细化耐磨叠层;多元物相改善TC17表面耐磨性,生成的增强相通过弥散强化进一步增强耐磨性,本发明能够在钛合金表面获得极强耐磨性叠层
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为LMD叠层金相显微组织图:(a)TC17与底部涂层结合区,(b)底部涂层。
图2为LMD叠层金相显微组织图:(a)顶部涂层与底部涂层结合区,(b)顶部涂层。
图3为LMD叠层的HRTEM图。
图4为(a)LMD叠层磨损体积随时间变化图;(b)叠层与基材摩擦系数随载荷变化图。
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,下面将结合本发明的实施例,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。
实施例1
一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,步骤如下:
(1)将TC17用400目、600目、800目以及1200目砂纸由粗至细依次打磨并抛光,直至表面平整光滑无划痕;使用丙酮去除表面氧化膜,后采用清水冲洗打磨后的表面,再用无水乙醇进行清洗、吹干;
TC17化学成分(wt%)为:Al 4.60%,Mo 4.01%,Zr 1.90%,C 0.02%,00.107%,Sn 1.72%,Cr 3.81%,N 0.01%,Fe 1%,余量Ti;
(2)将激光参数调整为激光功率1100-1300W,激光束扫描速率13-15mm/s,光斑直径3mm,搭接率25-30%,采用同轴送粉方式在TC17上沉积Stellite31 PM粉末,送粉速度13g/min,同时在该条件下配以99.9%氩气保护气,流速30L/min,LMD处理后形成底部涂层;
Stellite31 PM的化学成分(wt%):C 0.50%,Cr 25.50%,Si 1.0%,Mn 1.0%,Fe 2.0%,W 7.50%,Ni 1.50%,B 1.0%;各组分纯度大于99.5%;
(3)将Stellite31 PM、Si3N4、Mo、Zr粉末按比例混合,形成成分质量分数比例为Stellite31 PM 88%,Si3N47%,(Mo-Zr)5%的混合粉末,其中Mo、Zr质量分数相同,各组分纯度大于99.5%;采用与步骤(2)相同的工艺及参数将该混合粉末经LMD处理后,在底部涂层上面形成顶部涂层;
Stellite31 PM粉末尺寸在50-200μm之间,Si3N4粉末尺寸在50-150μm之间,Mo与Zr混合粉末尺寸在50-100μm之间。
本发明中,对TC17钛合金进行LMD处理,采用同轴送粉方式将Stellite31PM粉末沉积至TC17基材表面形成底部涂层,将Stellite31 PM、Si3N4、Mo、Zr按照比例混合后,采用LMD技术将混合物LMD在底部涂层之上形成顶部涂层;各组分纯度大于99.5%;控制Stellite31PM粉末尺寸50-200μm,Si3N4粉末尺寸50-150μm,Mo与Zr混合粉末尺寸50-100μm;
结合图1a可知,底部涂层与基材具有良好的冶金结合,结合区靠近涂层一侧存在大量垂直于边界生长的柱状晶;
结合图1b可知,底部涂层由大量生长方向各异枝晶组成,细小生成相弥散分布在枝晶间;
结合图2a可知,顶部涂层与底部涂层产生冶金结合,无明显缺陷产生;
结合图2b可知,顶部涂层组织致密且细小,细小生成相明显增多且分布均匀。
如图3所示,LMD Stellite31 PM形成的底部涂层由大量纳米晶及非晶组成,进一步证实晶粒的细化效果,由于LMD熔池冷却速度极快,易形成多元细化组织。
图4a表明LMD叠层磨损体积相对较少,表明叠层具有良好的耐磨性;
图4b证实TC17的摩擦系数高于涂层的摩擦系数,随着施加载荷的增加,叠层摩擦系数一直减小,叠层耐磨性显著优于TC17;结合叠层微观组织分析,致密且细小的微观组织可阻碍位错运动达到细晶强化作用;所制备叠层中的纳米晶与非晶均具有较高强度,阻磨能力较强;钴基及陶瓷Si3N4经LMD处理生成硬质相,Mo、Zr元素促使碳化物的形成产生弥散强化,即这些生成物弥散分布以阻碍摩擦运动,从而提高耐磨性能。
另外,图4b摩擦系数证明,耐磨叠层的摩擦系数显著小于基材,证明相对于基材来说,制备的叠层的耐磨损效果显著增强。
综合上述分析可知,在TC17钛合金表面采用LMD制备Stellite31 PM基多元细化耐磨叠层可显著增强钛合金表面耐磨性。
尽管通过参考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。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,主要为:在TC17的表面通过LMD处理依次得到底部涂层和顶部涂层,顶部涂层位于底部涂层的上面;
底部涂层,沉积Stellite31PM粉末后,经LMD处理后得到;
顶部涂层,在底部涂层的上面采用Stellite31PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合后,经LMD处理后得到。
2.如权利要求1所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,过程如下:
(1)将TC17用不同粗细程度的砂纸由粗至细打磨并抛光,直至表面平整光滑无划痕;然后去除氧化膜后进行清洗、吹干;
(2)调整激光参数,然后采用同轴送粉的方式在TC17上沉积Stellite31PM粉末;同时在该条件下配以99.9%氩气保护气,LMD处理后形成底部涂层;
(3)在底部涂层的上面采用Stellite31PM、Si3N4、Mo、Zr按一定比例混合粉末进行LMD处理,工艺参数同步骤(2),形成顶部涂层,从而在TC17上具有多元细化耐磨叠层。
3.如权利要求2所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,在步骤(1)中,使用丙酮去除TC17表面的氧化膜。
4.如权利要求2所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,所述TC17化学成分(wt%)为:Al 4.60%,Mo 4.01%,Zr 1.90%,C 0.02%,00.107%,Sn1.72%,Cr 3.81%,N 0.01%,Fe 1%,余量Ti。
5.如权利要求4所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,在步骤(2)中,将激光参数调整为激光功率1100-1300W,激光束扫描速率13-15mm/s,光斑直径3mm,搭接率25-30%,采用同轴送粉方式在TC17上沉积Stellite31PM粉末,送粉速度13g/min,同时在该条件下配以99.9%氩气保护气,流速30L/min,LMD处理后形成底部涂层。
6.如权利要求4所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述Stellite31PM的化学成分(wt%):C 0.50%,Cr 25.50%,Si 1.0%,Mn1.0%,Fe 2.0%,W 7.50%,Ni 1.50%,B 1.0%,余量Co;各组分纯度大于99.5%。
7.如权利要求4所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述顶部涂层成分比例(wt%):Stellite31 PM 88%,Si3N4 7%,(Mo-Zr)5%;其中Mo、Zr质量分数相同;各组分纯度大于99.5%;将Stellite31PM、Si3N4、Mo、Zr粉末充分混合,并烘干。
8.如权利要求4所述的激光制备TC17钛合金多元细化耐磨叠层的方法,其特征在于,所述Stellite31PM粉末尺寸在50-200μm之间,Si3N4粉末尺寸在50150μm之间,Mo与Zr混合粉末尺寸在50100μm之间。
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