一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法
【專利摘要】一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層方法，屬于材料工程領域。本發(fā)明以鈦合金、金屬碳化物粉末、鈦基合金粉末為原料，所述方法包括以下步驟：基體預處理步驟，用于清除基體表面氧化膜與油污，并使基體表面粗糙度增加；粉末混合刷涂步驟，用于使原料粉末按照一定比例（金屬碳化物體積分數(shù)為10%-60%）混合均勻后調制成漿料，并將漿料刷涂在鈦合金基體上；真空釬涂步驟，將試樣放入真空爐中經(jīng)過抽真空、加熱、冷卻的釬涂過程。本發(fā)明將在鈦合金表面得到具有一定硬度和厚度并與基體呈冶金結合的金屬陶瓷復合涂層，實現(xiàn)了鈦合金的表面改性。本發(fā)明工藝簡單，生產(chǎn)過程穩(wěn)定、環(huán)保，易于工業(yè)化且成本低廉，具有顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。
【專利說明】一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明提供了一種在鈦合金表面制備金屬陶瓷復合涂層的方法，屬于材料工程領域，特別涉及鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合層的方法。
[0002]

【背景技術】
[0003]鈦合金是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的合金，它具有相對密度小、t匕強度高、耐腐蝕性好及生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、冶金、化工、醫(yī)療等領域。但鈦合金仍存在一些缺陷，如硬度低、耐磨性差等，這些缺點需要通過適當?shù)谋砻婕夹g加以改善。尤其是在航空航天領域，鈦合金構件在摩擦環(huán)境下使用時，更需要在其表面制備硬度高、厚度大且與基體結合強度高的涂層。目前鈦合金表面涂層技術主要包括氣相沉積、電鍍化學鍍、熱噴涂、熔覆和堆焊等[陶瓷，2010，(5):30-33],這些方法都能在鈦合金表面制備具有特殊性能的涂層，實現(xiàn)鈦合金的表面改性。但是，要制備硬度高、厚度大、組織致密且與基體結合強度高的涂層，上述方法仍存在不足之處:氣相沉積及電鍍化學鍍制備的涂層厚度低，且與基體結合強度差[電鍍與精飾，2010，32 (10):15-20];熱噴涂制備的涂層孔隙率高，且與基體的結合強度低；堆焊及熔覆對母材熱輸入量大，容易引起母材變形，且涂層表面質量差易形成氣孔和夾雜。開發(fā)一種表面涂層技術，在鈦合金表面制備具有厚度大、硬度高、組織致密且與基體結合強度高等優(yōu)點的涂層具有重要的意義。
[0004]真空釬涂技術是利用熔化的釬料在母材表面潤濕和鋪展而形成的一層具有特殊性能涂層的技術。該方法工藝簡單，制備的涂層硬度高，厚度(幾十微米到數(shù)毫米)可靈活控制，與基體結合強度高(冶金結合)，組織致密無缺陷。目前，國內外尚沒有在鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的報道。
[0005]


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明開發(fā)了一種以真空釬涂工藝在鈦合金表面制備金屬陶瓷復合涂層的技術。本發(fā)明的目的是提高鈦合金的表面硬度和耐磨性，使其能夠承受大的載荷以及劇烈的摩擦。
[0007]—種在鈦合金表面制備金屬陶瓷復合涂層的方法，采用基體預處理、粉末預處理及真空釬涂步驟。
[0008]1、基體預處理:使用砂紙對鈦合金基體進行打磨，去除表面大部分油污及氧化膜，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加，然后使用丙酮、乙醇和清水等進行清洗將殘留的污染物洗凈，再放進干燥箱內干燥。其中鈦合金包括TC4、TA5、TB2、TC1UBT20合金。
[0009]2、粉末預處理:將5-60 μ m的鈦基合金粉末和1_30 μ m的金屬碳化物粉末充分機械混合，混合物中金屬碳化物所占體積分數(shù)為10%_60% ;向混合后的粉末中加入乙醇調制成漿料，把漿料刷涂在預處理后的鈦合金基體上，再置于干燥箱內干燥。其中鈦基合金粉末可以為 T1-N1、T1-Cu、T1-Zr-Cu、Tir-Be、T1-N1-Nb、T1-Cu-Ni 或 T1-Zr-Cu-Ni 粉末；金屬碳化物粉末可以是TiC、WC、ZrC、NbC或TaC粉末。
[0010]3、真空釬涂:將干燥后的試樣放入真空爐，待爐內真空度高于8X 10_3Pa后加熱至800-1050°C，并在此溫度下保溫5-120min。試樣冷卻后獲得所需涂層，整個釬涂過程爐內真空度始終高于8X10_3Pa。
[0011]上述T1-Ni合金粉末各元素質量分數(shù)為:20%-38%Ni，其余為Ti ; T1-Cu合金粉末各元素質量分數(shù)為:38%-77%Cu,其余為Ti ;T1-Zr-Cu合金粉末各元素質量分數(shù)為:21%-29%Zr，42%-58%Cu，其余為Ti ；T1-Zr-Be合金粉末各元素質量分數(shù)為:46%_49%Zr，2%-8%Be，其余為Ti ；T1-N1-Nb合金粉末各元素質量分數(shù)為:37%_44%Ni，12%_26%Nb，其余為Ti ;T1-Cu-Ni 合金粉末各元素質量分數(shù)為:13%-25%Cu，12%-28%Ni，其余為 Ti ；T1-Zr-Cu-Ni合金粉末各元素質量分數(shù)為:ll%-38%Zr，13%-25%Cu，7%-17%Ni，其余為Ti。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:開發(fā)了一種在鈦合金表面制備金屬陶瓷復合涂層的真空釬涂技術。該方法操作簡單、生產(chǎn)過程穩(wěn)定、成本低廉，易于工業(yè)化應用；制備的涂層組織致密、硬度高、厚度(幾十微米到數(shù)毫米)可靈活控制、表面光滑無缺陷，并且與基體的結合強度聞。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明方法的整體工藝流程圖。
[0015]

【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但本發(fā)明不僅僅局限于以下實施例。
[0017]實施例1
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TC4鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，然后在干燥箱內保持50°C恒溫干燥lOmin。
[0018](2)粉末預處理:將粒徑5 μ m的TiC粉末和粒徑45 μ m的T1-Zr-Cu-Ni粉末(其中各元素質量比為48%Ti，27Zr，18%Cu，7%Ni)在行星式球磨機里以300r/min的轉速混合2h，球磨混合物中TiC體積分數(shù)為50%。再向混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，然后把漿料均勻平整的預置在處理后的鈦合金基體上，預置厚度為1.5mm，再放進干燥箱內60°C恒溫干燥 15min。
[0019](3)將上述干燥后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X l(T3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至870°C，并在此溫度下保溫30min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TC4基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為93.1HR15N。
[0020]實施例2 本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TA5鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0021](2)粉末預處理:將粒徑I μ m的WC粉末和粒徑15 μ m的T1-Zr-Be粉末(其中各元素質量比為46%Ti，49%Zr，7%Be)在行星式球磨機里以240r/min的轉速混合4h，球磨混合物中WC體積分數(shù)為40%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，把漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為0.8mm,然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥lOmin。
[0022](3)將干燥后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X KT3Pa后以15°C/min的加熱速率加熱至800°C，并在此溫度下保溫20min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TA5基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為90.7HR15N。
[0023]實施例3
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TB2鈦合金通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0024](2)粉末預處理:將粒徑20 μ m的ZrC粉末和粒徑45 μ m的T1-N1-Nb粉末(其中各元素質量比為42%Ti，38%Ni，20%Nb)在臥式球磨機里以150 r/min的轉速混合10h，球磨混合物中ZrC體積分數(shù)為20%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，再以上述漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為3mm，然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥20mino
[0025](3)將上述預處理后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X10_3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至920°C，并在此溫度下保溫90min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X 10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TB2基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為 86.2HR15N。
[0026]實施例4
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TCll鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0027](2)粉末預處理:將粒徑30 μ m的TaC粉末和粒徑15 μ m的T1-Ni粉末(其中各元素質量比為68%Ti，32%Ni)在臥式球磨機里以150 r/min的轉速混合10h，球磨混合物中TaC體積分數(shù)為10%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，再以上述漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為0.5mm,然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥5min。
[0028](3)將上述預處理后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X10_3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至1000°C，并在此溫度下保溫15min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X 10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TCll基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為84.5HR15N。
[0029]實施例5
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將BT20鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0030](2)粉末預處理:將粒徑5 μ m的NbC粉末和粒徑10 μ m的T1-Cu粉末(其中各元素質量比為24%Ti，76%Cu)在臥式球磨機里以150 r/min的轉速混合10h，球磨混合物中NbC體積分數(shù)為30%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，再以上述漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為2mm,然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥lOmin。
[0031](3)將上述預處理后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X10_3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至980°C，并在此溫度下保溫75min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X 10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與BT20基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為 89.1HR15N。
[0032]實施例6
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TC4鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0033](2)粉末預處理:將粒徑20 μ m的TiC粉末和粒徑60 μ m的T1-Zr-Cu粉末(其中各元素質量比為23%Ti，21%Zr，56%Cu)在臥式球磨機里以150 r/min的轉速混合10h，球磨混合物中TiC體積分數(shù)為40%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，再以上述漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為4mm，然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥30mino
[0034](3)將上述預處理后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X10_3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至970°C，并在此溫度下保溫120min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8 X 10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TC4基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為90.4HR15N。
[0035]實施例7
本試驗的一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法按以下步驟進行:
(I)鈦合金基體表面預處理:將TCll鈦合金基體通過砂紙對其表面進行打磨，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加(石英砂，粒度140-260目)，再依次使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗將殘留的污染物洗凈，然后在干燥箱內50°C恒溫干燥lOmin。
[0036](2)粉末預處理:將粒徑15 μ m的WC粉末和粒徑5 μ m的T1-Cu-Ni粉末(其中各元素質量比為62%Ti，18%Cu，20%Ni)在臥式球磨機里以150 r/min的轉速混合10h，球磨混合物中WC體積分數(shù)為60%。將混合后的粉末加入乙醇調制成漿料，再以上述漿料均勻平整的預置在預處理后的鈦合金基體上，預置厚度為0.1mm，然后放進干燥箱內60°C恒溫干燥3min。
[0037](3)將上述預處理后的試樣平穩(wěn)的放入真空爐內，由真空系統(tǒng)將爐內抽至8X10_3Pa后以15°C /min的加熱速率加熱至1050°C，并在此溫度下保溫5min。保溫結束后試樣隨爐冷卻到室溫，整個釬涂過程爐內真空度始終穩(wěn)定在8X 10_3Pa。打開放氣閥待爐內恢復到標準大氣壓后將試樣取出，涂層與TCll基體連接良好，組織致密無缺陷且涂層表面硬度為 93.9HR15N。
【權利要求】
1.一種鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)基體預處理:用砂紙對鈦合金基體進行打磨，去除表面大部分油污及氧化膜，再對基體表面噴砂使其粗糙度增加，然后使用丙酮、乙醇和清水進行清洗，將殘留的污染物洗凈，再放進干燥箱內干燥；所述鈦合金為TC4、TA5、TB2、TC11、BT20合金； (2)粉末混合刷涂:將鈦基合金粉末和金屬碳化物粉末以一定比例充分機械混合，然后向混合后的粉末中加入乙醇調制成漿料，把漿料刷涂在預處理后的鈦合金基體上，再置于干燥箱內干燥；所述鈦基合金粉末為 T1-N1、T1-Cu、T1-Zr-Cu、Tir_Be、Ti_Ni_Nb、Ti_Cu_Ni或T1-Zr-Cu-Ni粉末，其粉末粒度為5-60 μ m ； (3)真空釬涂:將干燥后的試樣放入真空爐，待爐內抽至一定真空度后加熱至釬涂溫度，并在此溫度保溫一段時間，試樣冷卻后得到所需涂層，整個釬涂過程爐內始終保持真空狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法，其特征在于:步驟(2)中所述的鈦基合金粉末中，T1-Ni合金粉末各元素質量分數(shù)為:20%-38%Ni，其余為Ti ； T1-Cu合金粉末各元素質量分數(shù)為:38%-77%Cu，其余為Ti ；T1-Zr-Cu合金粉末各元素質量分數(shù)為:21%-29%Zr，42%-58%Cu，其余為Ti ;T1-Zr_Be合金粉末各元素質量分數(shù)為:46%-49%Zr，2%-8%Be，其余為Ti ;Ti_Ni_Nb合金粉末各元素質量分數(shù)為:37%_44%Ni，12%-26%Nb，其余為Ti ；T1-Cu-Ni合金粉末各元素質量分數(shù)為:13%_25%Cu，12%_28%Ni，其余為Ti ；T1-Zr-Cu-Ni合金粉末各元素質量分數(shù)為:ll%_38%Zr，13%_25%Cu，7%_17%Ni，其余為Ti。
3.根據(jù)權利要求1所述的鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法，其特征在于:步驟(3)中所述的真空度不低于8X10_3Pa，釬涂溫度為800-1050°C，保溫時間為15_120mino
4.根據(jù)權利要求1所述的鈦合金表面真空釬涂金屬陶瓷復合涂層的方法，其特征在于:步驟(2)中所述的金屬碳化物粉末的成分為TiC、WC、ZrC、NbC或TaC，其粉末粒度為1-30 μ m,且混合粉末中金屬碳化物所占體積分數(shù)為10%_60%。
【文檔編號】B22F1/00GK104264148SQ201410472749
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權日:2014年9月16日
【發(fā)明者】黃繼華, 劉曉君, 陳樹海, 趙興科 申請人:北京科技大學