CN1313635C - 钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法 - Google Patents

钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法，该工艺通过在表面预处理工艺中增加表面浸锌活化工序，并将表面净化工序与之合二为一；同时合理确定了工艺过程中的关键参数，具体为：待喷表面粗糙度为Ra25～12.5，预热温度为230～270℃，重熔时液态停留时间为20～60s；并在喷焊后对其进行“回火”热处理，热处理温度范围为200～600℃，保温时间为0.5～2h等一系列工艺措施，成功地在钛合金表面制备了结合性能优良的火焰喷焊耐磨涂层，较好地解决了工程实践实施的灵活性问题。

Description

钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法
技术领域
本发明涉及金属表面热喷涂(焊)技术领域，特指一种钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性强、良好的工艺性和生物相容性，一直是航空航天等军事领域中所使用的主要金属材料之一。随着钛合金从军用转向民用进程的深入，钛合金在船舶海洋、能源化工、车辆工程、生物医药等领域表现出了巨大的应用潜力，并已成为这些领域中新工艺、新技术、新装备不可缺少的金属材料之一。但它也存在着硬度低、摩擦系数大，耐磨性较差等不足，严重地影响着它的使用性能，限制着它的进一步应用。因此，在要求具有抗磨损性能的应用中，钛合金只有在经过改善表面摩擦学行为后才被使用。
纵观钛合金表面耐磨改性技术的发展，大致经历了三个阶段：一是以电镀、热扩散和热喷涂为代表的传统表面技术阶段，这一阶段的技术所获得的表面改性层大多存在改性层较薄、结合强度较低及对基体损坏较严重(如氢脆、氧脆等)的不足，尤其是在高承载条件下其使用性能很难保证；二是以三束为代表且以激光熔覆技术为标志的现代表面技术阶段，该阶段的技术无论从制备工艺还是涂层结合性能来看都具有很大的优势，但普遍存在着成本较高、灵活性较差等局限性，很大程度限制了其向工程实践转化；三是两种及多种表面技术的综合应用阶段，如深度硬化技术、热喷涂+激光熔覆等，虽然这些技术所制备的耐磨涂层各项性能指标有所提高，但工程适应性问题即该技术的灵活性和经济性仍未得到很好的解决。
火焰喷焊技术是一种成熟的表面改性处理技术，具有节能、价廉、高效、获得的涂层可靠以及很强的工程适应性，被广泛应用于多种材料的表面改性处理和表面再制造中，取得了极大的经济效益和社会效益；同时适合于火焰喷焊的自熔性合金粉末又是一种应用广泛的具有优良耐磨抗蚀耐温性能的涂层材料。但是关于采用火焰喷焊技术在钛合金表面上通过喷焊自熔性合金粉末制备耐磨涂层的研究尚未见报道，造成上述情况的主要原因如下：(1)钛合金表面活性较高，和氧的亲和力很强，且自熔性合金粉末中的B、Si元素无法将其还原，在实施火焰喷焊过程中很难获得清洁表面，因此一般认为钛合金基体上不适合采用火焰喷焊技术进行表面改性；(2)火焰喷焊过程中温度较高且喷焊层冷却速度较快，合金元素扩散不能充分进行，而且残余应力较大，削弱了钛合金基体和涂层之间的结合强度，很难获得良好的结合性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法，该工艺不仅能够获得性能可靠的耐磨涂层，而且具有较大的灵活性和优良的经济性。
实现本发明目的的技术方案是：
采用“二步法”喷焊工艺，即先在基体表面上喷涂合金粉末然后再对其重熔，其一般工艺过程为：净化-粗化-预热-喷保护层-二次加热-喷涂合金粉末-重熔喷涂层-缓冷；其特征是：
1.工件表面预处理工艺
首先采用喷砂、机械切削或其他粗化方法使待喷表面的粗糙度达到Ra25～12.5，保证表面的润湿性和涂层合金的流动性；然后采用有机清洗剂对工件进行清洗，并将其放置在用盐酸、硝酸、氢氟酸及蒸馏水配制的溶液中浸蚀，最后用25～55ml/L的氢氟酸、30～50g/L六水硫酸锌及蒸馏水配制的活化液对其进行活化，至工件表面完全被暗灰色锌膜覆盖，取出用流动水清洗干净。
2.喷焊工艺
在实施喷焊时，将经过预处理的工件预热到230～270℃后喷涂保护层，然后二次加热并喷涂合金粉末，随后立即进行重熔，在涂层合金出现“镜面反光”后，使涂层合金在液态下停留20～60s，然后缓冷至室温。
3.焊后热处理工艺
喷焊后对工件进行“回火”热处理，加热温度为200～600℃，保温时间0.5～2h。
本发明的有益效果是：
1.本发明在一般工艺过程的基础上，改进了工件表面预处理工艺，增加了表面浸锌活化工序，并将常规表面净化工序和活化工序合二为一，在基本不增加成本的基础上使待喷钛合金工件获得清洁表面，从而为实施喷焊作好准备。
2.本发明通过合理确定喷焊过程中的关键工艺参数，增加基体和涂层中合金元素的扩散，使之形成良好的冶金结合。
3.本发明采用喷焊后进行回火热处理，降低残余应力，稳定涂层组织，进一步提高耐磨涂层的综合性能。
本发明采用上述工艺在钛合金表面上制备了结合性能优良的耐磨涂层，具体表现为：喷焊层是具有韧基体+硬质相的耐磨组织，表层硬度高达HV0.3850～1250，是未处理钛合金的3～4倍，耐磨性提高了10～18倍(以磨损失重为指标)；基体/涂层间过渡层的组织呈现由平面晶依次转变为柱状晶、树枝晶和等轴晶，涂层与基体形成明显的冶金结合，基体中的Ti元素在整个横切面上充分扩散，且一直扩散到涂层表层，显微硬度在横切面上沿层深分布具有渐变性和连续性，基体和涂层具有优良的结合性能。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是实施例1制备的涂层界面区的组织形貌
图2是实施例1制备的涂层喷焊层的组织形貌
图3是实施例2制备的涂层界面区的组织形貌。
图4是实施例2制备的涂层喷焊层的组织形貌
图5是实施例3制备的涂层界面区的组织形貌
图6是实施例3制备的涂层喷焊层的组织形貌
具体实施方式：
本发明的具体实施方式为：
实施例1.将工件表面进行喷砂粗化，使待喷表面的粗糙度达到Ra25，然后用丙酮超声波清洗3～5分钟，放入用盐酸、硝酸、氢氟酸及蒸馏水配制的溶液中浸蚀，随后将其置于30ml/L氢氟酸、30g/L六水硫酸锌的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色锌膜覆盖；将经过预处理的工件预热到230℃后喷涂保护层、二次加热、喷涂合金粉末，并重熔喷涂层控制涂层合金在液态下停留20秒，然后缓冷至室温；再将其重新加热到200℃，保温30分钟，进行“回火”热处理。
采用上述工艺制备的耐磨涂层的界面区及喷焊层组织形貌如图1、2所示，基体与涂层表现为良好的冶金结合，喷焊层组织为Ni基固溶体+黑色碳化物等硬质相，其表层硬度为HV0.3929.8，与GCr15(硬度HRC61)进行磨损试验，其磨损失重仅为未处理钛合金的1/10。
实施例2.将工件表面进行喷砂粗化，使待喷表面的粗糙度达到Ra25，然后用丙酮超声波清洗3～5分钟，放入用盐酸、硝酸、氢氟酸及蒸馏水配制的溶液中浸蚀，随后将其置于45ml/L氢氟酸、40g/L六水硫酸锌的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色锌膜覆盖；将经过预处理的工件预热到250℃后喷涂保护层、二次加热、喷涂合金粉末，并重熔喷涂层控制涂层合金在液态下停留40秒，然后缓冷至室温；再将其重新加热到400℃，保温60分钟，进行“回火”热处理。
采用上述工艺制备的耐磨涂层的界面区及喷焊层组织形貌如图3、4所示，基体与涂层表现为良好的冶金结合，喷焊层组织为Ni基固溶体+黑色碳化物等硬质相，其表层硬度为HV0.3975.1，与GCr15(硬度HRC61)进行磨损试验，其磨损失重仅为未处理钛合金的1/14。
实施例3.工件表面端面车螺纹，使待喷表面的粗糙度达到Ra12.5，然后用丙酮超声波清洗3～5分钟，放入用盐酸、硝酸、氢氟酸及蒸馏水配制的溶液中浸蚀，随后将其置于55ml/L氢氟酸、50g/L六水硫酸锌的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色锌膜覆盖；将经过预处理的工件预热到270℃后喷涂保护层、二次加热、喷涂合金粉末，并重熔喷涂层控制涂层合金在液态下停留60秒，然后缓冷至室温；再将其重新加热到600℃，保温120分钟，进行“回火”热处理。
采用上述工艺制备的耐磨涂层的界面区及喷焊层组织形貌如图5、6所示，基体与涂层表现为良好的冶金结合，喷焊层组织为Ni基固溶体+黑色碳化物等硬质相，其表层硬度为HV0.31222.2，与GCr15(硬度HRC61)进行磨损试验，其磨损失重仅为未处理钛合金的1/18。

Claims (1)

1、钛合金表面耐磨涂层的火焰喷焊工艺方法，采用“二步法”喷焊工艺，工艺流程为：工件表面预处理，喷焊，焊后热处理，其特征在于：
所述工件表面预处理具体步骤为：首先采用喷砂、机械切削方法使待喷表面的粗糙度达到Ra25～12.5，保证表面的润湿性和涂层合金的流动性；然后采用有机清洗剂对工件进行消洗，并将其放置在用盐酸、硝酸、氢氟酸及蒸馏水配制的溶液中浸蚀，再用25～55ml/L的氢氟酸、30～50g/L六水硫酸锌及蒸馏水配制的活化液对其进行活化，至工件表面完全被暗灰色锌膜覆盖，取出用流动水清洗干净；
所述喷焊具体步骤为：在实施喷焊时，将清洗干净的表面完全被暗灰色锌膜覆盖的工件预热到230～270℃后喷涂保护层，然后二次加热并喷涂合金粉末，随后立即进行重熔，在涂层合金出现“镜面反光”后，使涂层合金在液态下停留20～60s，然后缓冷至室温；
所述焊后热处理具体步骤为：喷焊后采用热处理工艺在200～600℃下进行“回火”，保温时间为0.5～2h。
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