專利名稱：一種增強鈦合金表面激光熔覆層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，屬于材料表面強化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在鈦合金表面用Cu改善Ti-Al或Fe-Al金屬間化合物基TiB2-C激光熔覆層組織耐磨性及表面形貌的方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有高比強度，高比模量以及優(yōu)異耐蝕性等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。但鈦合金表面耐磨性差，限制了其潛能的發(fā)揮。激光熔覆技術(shù)使被修復(fù)工件表面的理化性能得到顯著提高，極大地延長了工件的使用壽命。激光熔覆陶瓷顆粒增強復(fù)合涂層是提高鈦合金表面耐磨和抗高溫氧化等性能的有效途徑，可使熔覆層與鈦合金基體產(chǎn)生冶金結(jié)合，形成具有良好強韌性的熔覆層。通過激光熔覆技術(shù)可以修復(fù)各種失效零件，如航空發(fā)動機潤輪葉片等。TiC陶瓷硬質(zhì)相具有極高的硬度與耐磨性能。而Ti-Al與Fe-Al金屬間化合物同時具有高比強、高比模量、良好耐磨性能、抗蠕變性以及優(yōu)良的耐疲勞性能。TiC在鈦合金表面激光熔覆層產(chǎn)生可顯著改善基體表面耐磨性能。在預(yù)置涂層中加入適量C，可使TiC強化相在激光熔覆層中產(chǎn)生。在TiC強化激光熔覆層中加入一定量的硼化物可抑制發(fā)達TiC枝狀晶在熔覆層中的產(chǎn)生，改善激光熔覆層的韌性。激光熔覆過程中，熔池在鈦合金基體表面產(chǎn)生，預(yù)置涂層中的C可與熔池中的Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，極易生成過量TiC硬質(zhì)相，影響激光熔覆層的表面形貌及耐磨性能；而C加入量過少，盡管可以防止過量TiC硬質(zhì)相產(chǎn)生，卻降低了熔覆層硬度與耐磨性能。因此，鈦合金表面Ti-Al或Fe-Al金屬間化合物基TiB2-C激光熔覆層具有耐磨性能不穩(wěn)定的缺陷，而本發(fā)明可以顯著改善激光熔覆層的耐磨性及表面形貌。現(xiàn)有鈦合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Al3Ti,直接用水玻璃溶液均勻攪拌成糊狀涂覆在鈦合金的表面，而后進行激光熔覆。因Al3Ti中已具有一定含量Ti，以Al3Ti作為熔覆基底粉末的熔池易于生成富Ti熔池。因此，在激光熔覆過程中，Al3Ti易于與通過稀釋作用而進入熔池的Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ti3Al,形成Ti3Al熔覆層，可提升鈦合金表面的耐磨性能。Ti3Al是一種以D019超點陣結(jié)構(gòu)的％相為基的α2+Β兩相金屬間化合物，具有密度低、比強度高、彈性模量高以及優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性能，在新一代的航空航天發(fā)動機結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用前景。相對于純鈦，Ti3Al金屬間化合物具有高彈性模量、良好的耐磨性能、低密度、高抗氧化性以及較好的力學(xué)性能等特性。另外，F(xiàn)e3Al具有良好的耐高溫，抗氧化以及耐磨損等性能。在鈦合金基體表面激光熔覆Al3Ti,可在基體表面形成Ti3Al金屬間化合物層，該熔覆層可顯著提升鈦合金表面的顯微硬度與耐磨性能。金相照片表明，Ti3Al熔覆層組織結(jié)構(gòu)均勻，無裂紋及氣孔產(chǎn)生，圖I顯示了 Ti3Al激光熔覆層的組織結(jié)構(gòu)。采用HV-1000型顯微硬度計測試激光熔覆層的硬度，載荷為200g，加載時間為5秒，自試樣表層向內(nèi)每隔O. 16mm測定一次硬度值。采用MM200磨損試驗機測定合金化層的抗磨性能。選用尺寸為Φ40Χ 12的YG6硬質(zhì)合金磨輪,轉(zhuǎn)速400r/min,載荷為2 8kg。磨損體積磨損試驗中每隔10分鐘測量一次磨痕寬度或磨損失重；磨痕寬度采用體積顯微鏡測定，經(jīng)過多點測定后取平均值作為測量結(jié)果。利用如下公式近似計算計算磨損體積。V=I {r2arcsin —Jr2 - — }
2r 2 V 4式中V是磨損體積，單位是mm3 ；LI是磨痕長度(即試樣寬度)，單位mm ；b是磨痕寬度，單位mm; r是磨輪半徑,單位mm。圖2顯示了Ti3Al激光熔覆層的硬度分布，激光熔覆后，Ti3Al激光熔覆層硬度可以達到600 700HV0 2。Ti3Al激光熔覆層具有較高的硬度與較好的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，該熔覆層的磨損體積為Ti-6A1-4V合金基體的二分之一。圖3為Ti3Al激光熔覆層與基體的磨損體積曲線，表I為Ti3Al激光熔覆層磨損試驗結(jié)果。表I
_次數(shù)磨損體積/mm3
Ti-6A1-4VI5. 76
26.43
36. 54
46.83
_5_7. 02
_平均_6. 51
Ti3Al激光熔覆層I3. 12
23. 18
33. 35
43. 56
_5_3. 87
_平均_3. 5
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，針對鈦合金表面Ti-Al或Fe-Al金屬間化合物基TiB2-C激光熔覆層表面形貌及耐磨性能不穩(wěn)定的缺陷，通過Cu的加入來消除熔覆層中裂紋及適度降低脆性相含量，從而改善熔覆層表面形貌及耐磨性能。該項技術(shù)可應(yīng)用于飛機零件制造中以及航空領(lǐng)域部件修復(fù)等諸多方面。本發(fā)明具體步驟如下(I)將一定質(zhì)量比例的基底粉末與C、TiB2, Cu混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；所述基底粉末為Ti-Al金屬間化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20 300 μ m,C、TiB2' Cu 粉末尺寸 20 300 μ m。(2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金表面，涂層的厚度為O. 3 2_，自然風(fēng)干。(3)用激光束對上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒；工藝參數(shù)為激光功率650 1500W，掃描速度2 llmm/s,光斑直徑2 9mm,気氣保護氣壓為O. 2 O. 9MPa。作為本發(fā)明的進一步改進，在混合粉末涂覆之前可以清理鈦合金表面，并拭凈、吹
干。 所述步驟(I)中的水玻璃溶液的模數(shù)可以為2. 2 3. 7。步驟⑵所述的鈦合金可以為Ti-6A1_4V鈦合金。步驟⑴所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以為C5%_25%，TiB210% -40%, Cu2% _15%，余量為 Al3Ti0步驟⑴所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)還可以為C5% -25%，TiB210%-40%，Cu2%-15%，余量為Fe、Al混合粉末，其中Al和Fe的質(zhì)量比例為I : I到I : 2之間。本發(fā)明是在氬氣作為保護氣條件下，試樣表面發(fā)生激光熔覆。在激光熔覆過程中，試樣保持原有的運動速度不變。試樣表面完全激光熔覆發(fā)生后，將激光關(guān)閉，兩秒鐘后將保護氣體關(guān)閉。后關(guān)閉保護氣的原因是為了使保護氣對試樣表面進行充分的保護。本發(fā)明的有益效果是，能夠獲得耐磨性及表面形貌較好的鈦合金表面強化涂層。本發(fā)明有工藝簡單方便，適用性強、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點。


圖I是Ti3Al激光熔覆層的組織結(jié)構(gòu)；clad zone :溶覆層！interface :界面；crystal grain :晶界。圖2是Ti3Al激光熔覆層的硬度分布；macro-hardness :顯微硬度；distance from the surface :距表面的距離。圖3是Ti3Al激光熔覆層與基體的磨損體積曲線；wear volume losses :磨損失重；time :時間。圖4是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層的X射線衍射圖；relative intensity :相對強度；counts :計數(shù)；degree :度。圖5是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層的SEM形貌；SDU :山東大學(xué)；SE(M)掃描電子顯微鏡。圖6是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層的硬度分布；macro-hardness :顯微硬度；distance from the surface :距表面的距離。圖7是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層與鈦合金基體的磨損體積曲線；wear volume losses :磨損失重；time :時間。圖8是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Al3TiUO % C、15 % TiB2UO % Cu激光熔覆層的X射線衍射圖；relative intensity :相對強度；counts :計數(shù)；degree :度。圖9是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65 % Al3Ti、10 % C、15 % TiB2,10 % Cu激光熔覆層的SEM形貌；SDU :山東大學(xué)；SE(M)掃描電子顯微鏡。圖10是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Al3TiUO% C、15% TiB2U0% Cu激光熔覆層硬度分布； macro-hardness :顯微硬度；distance from the surface :距表面的距離。
圖11是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Al3TiUO % C、15 % TiB2UO % Cu激光熔覆層與鈦合金基體的磨損體積曲線；
wear volume losses :磨損失重；distance from the surface :距表面的距離。
圖12是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Fe和Al、15% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層SEM形貌； SDU :山東大學(xué)；SE(M)掃描電子顯微鏡。
圖13是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Fe和Al、15% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層硬度分布； macro-hardness :顯微硬度；distance from the surface :距表面的距離。
圖14是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% Fe和Al、15% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層與鈦合金基體的磨損體積曲線；
wear volume losses :磨損失重；time :時間。
圖15是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% Fe和Al、15% C、15% TiB2U0% Cu激光熔覆層的SEM形貌； SDU :山東大學(xué)；SE(M)掃描電子顯微鏡。
圖16是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% Fe和Al、15% C、15% TiB2U0% Cu激光熔覆層的硬度分布； macro-hardness :顯微硬度；distance from the surface :距表面的距離。
圖17是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% Fe和Al、15% C、15% TiB2UO% Cu激光熔覆層與基體的磨損體積曲線；
wear volume losses :磨損失重；time :時間。
具體實施例方式實施例1 :將Ti-6A1-4V合金切成長度30mm、寬度10mm、厚度IOmm的長方體。在混合粉末涂覆之前,清理鈦合金表面,并拭凈、吹干。而后,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70 %的Al3Ti、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的C、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的TiB2、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% Cu的混合粉末激光熔覆在其30mmX IOmm面上。具體工藝步驟如下(1)分別稱取 Al3Ti 合金粉末 O. 70g、C 粉 O. 10g、TiB2 粉 O. 15g、Cu 粉 O. 05g，將稱量好的粉末倒入小燒杯中，用模數(shù)為2. 2 3. 7的水玻璃溶液將此混合粉末均勻攪拌成糊狀?；追勰┑某叽?0 300 μ m, C、TiB2、Cu粉末尺寸20 300 μ m。(2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金表面，涂層的厚度為0. 3 2MM，自然風(fēng)干。(3)用激光束對上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒；工藝參數(shù)為激光功率900W，掃描速度5mm/s，光斑直徑4mm，氬氣保護氣壓為0. 4MPa。圖4是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層的X射線衍射圖，根據(jù)衍射圖的結(jié)果可知，該激光熔覆層主要包含Ti3Al, TiAl, TiB2, TiB, TiC, Ti3Cu,TiCu2Al及Al3V等相。此結(jié)果表明，激光熔覆過程中，基體鈦合金對熔覆層產(chǎn)生稀釋作用，Al3Ti與通過稀釋作用從基體進入熔池的Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ti3Al或TiAl。水玻璃的組成成分主要為Na2O · nSi02。在激光熔覆過程中，Si從水玻璃中釋放出來，與熔覆層中的Ti3Al反應(yīng)形成Ti3Al-Si共晶組織。圖5是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiU0% CU5% TiB2,5%Cu激光熔覆層的SEM形貌，圖中顯示激光熔覆層組織結(jié)構(gòu)均勻，無裂紋及氣孔產(chǎn)生。圖6是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO % C、15 % TiB2,5 % Cu激光熔覆層的硬度分布，激光熔覆后，該激光熔覆層在硬質(zhì)相與細(xì)晶強化作用下，試樣表面硬度可達1500 1600HVa2，較鈦合金基體提升3 4倍。Cu的加入使CuTi3與TiCu2Al產(chǎn)生，有利于熔覆層硬度的提升。因該激光熔覆層具有較高的硬度與較好的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，該熔覆層的磨損體積為Ti-6A1-4V合金基體的三分之一。圖7是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO % C、15 % TiB2,5% Cu激光熔覆層與鈦合金基體的磨損體積曲線，表2是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70% Al3TiUO% C、15% TiB2,5% Cu激光熔覆層與鈦合金基體磨損試驗結(jié)果。表權(quán)利要求
1.ー種增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，包括以下步驟 (1)將一定質(zhì)量比例的基底粉末與C、TiB2,Cu混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；所述基底粉末為Ti-Al金屬間化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20 300 μ m，C、TiB2, Cu混合粉末尺寸20 300 μ m ; (2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金表面，涂層的厚度為O.3 2_，自然風(fēng)干； (3)用激光束對上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒；エ藝參數(shù)為激光功率650 1500W，掃描速度2 llmm/s,光斑直徑2 9mm,気氣保護氣壓為O. 2 O. 9MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，在混合粉末涂覆之前清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，所述步驟(O中水玻璃溶液的模數(shù)為2. 2 3. 7。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，步驟(2)所述的鈦合金為Ti-6A1-4V鈦合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，步驟(I)所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分 數(shù)為C5%-25%，TiB210%-40%, Cu2%_15%，余量為Al3Ti。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，步驟Cl)所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為C5%-25%，TiB210%-40%, Cu2%_15%，余量為Fe、Al混合粉末，其中Al和Fe的質(zhì)量比例為I: I到1:2之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增強鈦合金表面激光熔覆層的方法，包括以下步驟將一定質(zhì)量比例的基底粉末與C、TiB2、Cu混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；所述基底粉末為Ti-Al金屬間化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu混合粉末尺寸20～300μm；將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金表面，涂層的厚度為0.3～2mm，自然風(fēng)干；用激光束對上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒；工藝參數(shù)為激光功率650～1500W，掃描速度2～11mm/s，光斑直徑2～9mm，氬氣保護氣壓為0.2～0.9MPa。本發(fā)明能夠獲得耐磨性及表面形貌較好的鈦合金表面強化涂層，且工藝簡單方便，適用性強、便于推廣應(yīng)用。
文檔編號C23C24/10GK102618866SQ20121004111
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者于慧君, 李嘉寧, 陳傳忠 申請人:山東大學(xué)