CN1600891A - 一种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料，涉及一种涂层材料。采用目前的涂层材料制备的增强相存在界面浸润性不好、结合强度低、分散性不好、易偏聚和成团、热稳定不好等缺点。本发明材料是由NiCrBSi粉与占NiCrBSi粉2wt.％～10wt.％的B4C粉末进行混合后制备而成。由于本发明的材料在制备涂层过程中能发生化学反应，原位生成的增强相具有界面浸润性好、结合强度高、分散性好、热稳定性好等优点，因此采用本发明的材料可以制备出性能良好的复合涂层。

Description

一种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料
技术领域：
本发明属于金属表面涂层技术领域，是一种在钛合金表面激光熔覆涂层的复合材料。
背景技术：
钛合金具有较高的比强度、优良的耐腐蚀性和高温性能，是航空和航天部门广泛使用的高性能材料。但钛合金的摩擦系数大、耐磨性差，限制了其应用范围。激光熔覆是表面技术的一种，其以激光束作为热源，在基体材料表面熔接一层新材料，从而将基体材料的强韧性与增强相材料的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能有机地结合在一起，可以大大提高金属表面的耐磨性能。目前，进行钛合金表面激光熔覆涂层，常采用直接添加SiC、ZrO2、TiC、WC等陶瓷颗粒作为增强相的方法。直接添加的增强相存在界面浸润性不好、结合强度低、分散性不好、易偏聚和成团、热稳定性不好等缺点。
发明内容：
本发明就是针对现有直接添加增强相存在界面浸润性不好、结合强度低、分散性不好、易偏聚和成团、热稳定不好的弊端，从而提供一种可以使激光涂层的性能大大提高的钛合金表面激光熔覆涂层复合材料，钛合金表面激光熔覆涂层复合材料是由NiCrBSi粉与占NiCrBSi粉2wt.％～10wt.％的B4C粉末进行混合后制备而成。本发明的优点在于：TiB2和TiC陶瓷材料具有优异的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能及高的化学稳定性能，适宜作为激光熔覆复合涂层中的硬质陶瓷增强相。由于钛合金含有大量的Ti，Ti和B4C能发生化学反应，生成TiB2和TiC，所以B4C可以作为激光熔覆过程中反应自生增强相的原材料。上述反应自生的增强相具有界面浸润性好、结合强度高、分散性好、热稳定性好等优点，使激光涂层的性能大大提高，涂层硬度达到钛合金的3～4倍。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式采用基底材料为航空结构件普遍采用的材料Ti-6Al-4V，这样原位反应的Ti来自于Ti-6Al-4V。为了减缓Ti和B4C反应的剧烈程度，采用添加NiCrBSi粉的方法，以获得质量良好的复合涂层，所述的NiCrBSi粉可以是在市场上销售的任何一种NiCrBSi粉，所添加的B4C粉末占NiCrBSi粉2wt.％～10wt.％，B4C粉末与NiCrBSi粉混合后制备成钛合金表面激光熔覆涂层复合材料。
钛合金表面激光熔覆涂层复合材料的制备方法为，将NiCrBSi粉与B4C粉末按比例混合，然后在滚筒式混粉机中进行混粉10小时，然后与配好的有机粘合剂混成膏剂，均匀刷涂在钛合金工件表面，涂层厚度控制在0.8mm～1.2mm左右，并在90℃下烘干2小时，采用CO2激光器，选定激光熔覆工艺参数为：激光器输出功率600～900W，激光束斑直径Φ3～Φ6mm，激光扫描速度3～8mm/s，在熔覆过程中不需氩气(Ar)吹扫保护。上述的有机粘合剂为由占体积份数1份的聚乙稀醇和2份的水混合而成的膏剂。
在激光熔覆过程中，钛合金中的Ti元素大量进入了熔池中。在高温下，液体Ti和固体B4C界面接触会发生化学反应，生成TiB2和TiC。化学反应方程式如下：
经过激光熔覆，得到以反应自生的TiB2和TiC为主，包含多种增强相的镍基复合涂层。
具体实施方式二：本实施方式采用的基底材料为航空结构件普遍采用的材料Ti-6Al-4V。工件待熔覆表面经水砂纸磨削加工，表面粗糙度Ra＝0.2μm，熔覆前用丙酮清洗干净。预涂层材料采用NiCrBSi+5wt.％B4C粉。NiCrBSi粉的粒度范围为50～80μm，熔点为1100℃，其化学成分见表1。B4C粉的粒度范围为10～30μm，熔点为2700℃。
               表1 NiCrBSi合金粉的化学成分
     成分   Ni    Cr   B    Si    其它
   重量-％ 65-72  14-16  5-6   4-5    4-9
将配好的预涂粉末NiCrBSi+5wt.％B4C在滚筒式混粉机中进行混粉10小时，然后与配好的有机粘合剂混成膏剂，均匀刷涂在钛合金表面，涂层厚度控制在0.8mm左右，并在90℃下烘干2小时。采用CO2激光器，选定激光熔覆工艺参数为：激光器功率750W，光斑直径3mm，扫描速度5mm/s，在熔覆过程中不用氩气(Ar)吹扫保护。
单道激光熔覆后，涂层表面平整，呈微凸形，表面无裂纹和大的气孔。涂层的横截面宽度约为3.5mm，最大厚度约0.9mm。涂层与钛合金的界面清晰，无微裂纹和夹杂物，为冶金结合，强度很高。涂层的微观组织组织均匀、致密，无裂纹和气孔，也未发现不明夹杂物。复合涂层以过饱和固溶多种元素的γ-Ni为基体，含有反应产生的高硬度TiB2和TiC等增强相。
激光熔覆产生固溶强化和细晶强化效应，加上高硬度的陶瓷增强相，使得镍基复合涂层的硬度比钛合金提高很多。涂层的显微维氏硬度测试结果表明：钛合金的硬度为HV330～HV340，涂层的硬度为HV1200～HV1400。由数据对比可以看出，激光涂层的硬度比钛合金高很多，是钛合金的3～4倍。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同之处在于，所选用的NiCrBSi粉中，Ni：63～75wt.％，Cr：15～20wt.％、B：3～5wt.％、Si：3～6wt.％、Fe：3～5wt.％、C：1wt.％，所用的B4C粉末占NiCrBSi粉的8wt.％。

Claims (2)

1.一种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料，其特征在于它是由NiCrBSi粉与占NiCrBSi粉2wt.％～10wt.％的B4C粉末进行混合后制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面激光熔覆涂层复合材料，其特征在于所述NiCrBSi粉中，Ni：63～75wt.％，Cr：15～20wt.％、B：3～5wt.％、Si：3～6wt.％、Fe：3～5wt.％、C：1wt.％。
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