本發(fā)明涉及表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦基表面復合涂層的制備方法。

背景技術(shù)：

鈦合金具有密度小、比強度高、耐海水腐蝕、無磁性、生物兼容性好以及抗氧化性能優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應用于航天、航海、化學工業(yè)和生物醫(yī)學等領(lǐng)域。但鈦合金摩擦系數(shù)大，易產(chǎn)生粘著磨損、微動磨損以及承載能力低的問題，極大地降低了鈦合金結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和服役壽命。表面涂層和表面改性技術(shù)是改善鈦合金耐磨性，提高鈦合金構(gòu)件表面承載能力的有效手段。

非連續(xù)增強鈦基復合材料具有各向同性、易于加工等優(yōu)點，因此引起了工業(yè)部門的廣泛關(guān)注。以外加顆粒方法或原位合成工藝制備的非連續(xù)增強鈦基復合材料因其加工工藝與鈦合金相似，機械性能提升幅度大，成本與鈦合金材料接近，是目前該領(lǐng)域的重要研究和發(fā)展方向。原位合成陶瓷相增強鈦基復合涂層具有增強相尺寸和分布可控、界面純凈、熱穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點，在涂層制備過程中依靠自蔓延反應原位合成的SiC、TiC、TiB、TiB₂、ZrB₂、Al₂O₃以及各類金屬間化合物等增強相，可顯著提高鈦合金基體的力學性能，是鈦合金表面涂層材料研究的熱點領(lǐng)域。目前常用的鈦合金表面原位合成復合涂層技術(shù)主要包括：(1)離子注入、氣相沉積、離子滲氮、激光氣體滲氮等鈦合金表面滲碳、滲氮、滲硼、氮氧共滲及微弧氧化等表面改性技術(shù)，上述表面改性技術(shù)的優(yōu)點是改性層表面光潔、工藝重復性好，缺點是耐磨改性層薄、處理周期長、組織難于靈活控制；(2)等離子噴涂、超音速火焰噴涂等熱噴涂技術(shù)，上述熱噴涂技術(shù)的優(yōu)點是可制備大面積厚涂層、工藝簡單、成本低，但存在涂層孔隙率高、原位反應不完全、涂層與基體間結(jié)合強度差和材料疲勞強度低等問題；(3)激光熔覆、激光重熔、激光相變硬化、激光表面合金化等激光表面處理技術(shù)， 上述激光表面處理技術(shù)的優(yōu)點是涂層與基體可形成冶金結(jié)合、涂層組織致密、原位反應充分、涂層性能好，但缺點是成本高、涂層裂紋傾向大、殘余應力高；(4)氬弧熔覆、氬弧焊等傳統(tǒng)焊接處理技術(shù)，上述焊接處理技術(shù)的優(yōu)點是工藝簡單、成本低，但存在涂覆層表面粗糙度高、涂層質(zhì)量不可控以及后續(xù)加工余量大等問題。由此，本申請?zhí)峁┝艘环N鈦基表面感應熔覆原位合成鈦基復合涂層的制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種鈦基表面復合涂層的制備方法，本申請制備的鈦基表面復合涂層綜合性能較好。

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N鈦基表面復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

A)，對鈦基的表面進行預處理；

B)，在步驟A)得到的鈦基表面預置前驅(qū)體粉末涂層；所述前驅(qū)體粉末涂層包括鈦粉、石墨粉和鋁粉；

C)，對步驟B)得到的鈦基表面的預置前驅(qū)體粉末涂層進行感應熔覆，冷卻后得到鈦基表面復合涂層。

優(yōu)選的，所述石墨粉的含量為4wt％～18wt％，所述鋁粉的含量為3wt％～6wt％，余量為鈦粉。

優(yōu)選的，所述石墨粉的粒徑為3～5μm，所述鈦粉的粒徑為10～25μm，所述鋁粉的粒徑為10～25μm。

優(yōu)選的，所述鈦基為鈦合金平板，所述感應熔覆在氬氣條件下進行，感應熔覆的功率密度為20～40W/mm²，所述預置前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的距離為4～6mm，所述鈦合金平板的移動速度為1～3mm/s，氬氣流量為1.5～3L/min。

優(yōu)選的，所述鈦基為鈦合金軸頸，所述感應熔覆在氬氣條件下進行，感應熔覆的功率密度為15～40W/mm²，所述預置前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的間隙為4～6mm，感應線圈的移動速度為1～5mm/s，鈦合金軸頸的自轉(zhuǎn)速度為30～50r/min，氬氣流量為10～15L/min。

優(yōu)選的，所述鈦基為鈦合金內(nèi)孔，所述感應熔覆在氬氣的條件下 進行，感應熔覆的功率密度為20～50W/mm²，所述預置前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的間隙為4～6mm，感應線圈的移動速度為1～2mm/s，鈦合金內(nèi)孔工件的自轉(zhuǎn)速度為200～400r/min，氬氣流量為8～10L/min。

優(yōu)選的，步驟B)具體為：

將鈦粉、石墨粉、鋁粉與粘結(jié)劑混合，得到前驅(qū)體膏狀物，將所述前驅(qū)體膏狀物涂覆于步驟A)得到的鈦基表面，烘干。

優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑為質(zhì)量比為1：(2～4)的松香和松節(jié)油的混合物。

優(yōu)選的，所述前驅(qū)體粉末涂層的厚度為0.2～1.0mm。

優(yōu)選的，所述鈦基為鈦合金或純鈦。

本申請?zhí)峁┝艘环N鈦基表面復合涂層的制備方法，具體步驟為：對鈦基的表面進行預處理，然后在預處理后的鈦基表面預置前驅(qū)體粉末涂層，最后對鈦基表面的預置前驅(qū)體粉末涂層進行感應熔覆，冷卻后得到鈦基表面復合涂層。本申請制備的鈦基表面復合涂層中原位合成了碳化鈦增強相，且增強相與基質(zhì)相相容性好、界面純凈、分布均勻、顆粒細小，涂層硬度和彈性模量高，涂層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，涂層內(nèi)部組織致密、無裂紋和孔隙等缺陷。試驗結(jié)果表明，本申請制備的鈦基復合涂層中碳化鈦的平均粒徑為2～8μm，涂層的顯微硬度為580～640HV_0.2。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1～9制備的鈦基復合涂層X射線衍射圖譜；

圖2為本發(fā)明實施例1制備的鈦基復合涂層截面的整體微觀組織的激光共聚焦顯微鏡照片；

圖3為本發(fā)明實施例1制備的鈦基復合涂層內(nèi)部顯微組織的激光共聚焦顯微鏡照片；

圖4為本發(fā)明實施例1制備的鈦基復合涂層與基體界面的顯微組織的激光共聚焦顯微鏡照片；

圖5為本發(fā)明實施例2制備的鈦基復合涂層內(nèi)部顯微組織的掃描電鏡照片；

圖6為本發(fā)明實施例3制備的鈦基復合涂層內(nèi)部顯微組織的掃描電鏡照片。

具體實施方式

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

本發(fā)明實施例公開了一種鈦基表面復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

A)，對鈦基的表面進行預處理；

B)，在步驟A)得到的鈦基表面預置前驅(qū)體粉末涂層；所述前驅(qū)體粉末涂層包括鈦粉、石墨粉和鋁粉；

C)，對步驟B)得到的鈦基表面的預置前驅(qū)體粉末涂層進行感應熔覆，冷卻后得到鈦基表面復合涂層。

本申請?zhí)峁┝艘环N鈦基表面復合涂層的制備方法，其通過采用感應熔覆對鈦基表面進行處理，使鈦基表面原位合成碳化鈦增強相，有利于鈦基表面綜合性能的提高。

在制備鈦基表面涂層的過程中，本申請首先對鈦基的表面進行預處理。本申請所述鈦基是指以鈦元素為主要組成的金屬基材料，可以為鈦合金，也可以為純鈦，對此本申請沒有特別的限制。由于純鈦以及多數(shù)鈦合金的焊接性相似，因此，本申請對所述鈦基沒有特別的限制。在實施例中，所述鈦基優(yōu)選為Ti6Al4V。所述預處理是為了使鈦基表面清潔，以利于后期感應熔覆過程中不引入雜質(zhì)，提高涂層與基體結(jié)合強度。按照本發(fā)明，所述預處理具體為：

采用砂紙或磨光機打磨，或采用噴砂方法，將鈦基表面進行預處理，再將處理后的鈦基表面進行清洗。

本申請然后在經(jīng)過預處理的鈦基表面預置前驅(qū)體粉末涂層。本申請所述前驅(qū)體粉末涂層包括鈦粉、鋁粉和石墨粉。其中所述鈦粉的粒徑優(yōu)選為10～25μm，純度為99.9％；所述石墨粉的粒徑優(yōu)選為3～5μm，純度優(yōu)選為99.99％，所述鋁粉的粒徑優(yōu)選為10～25μm，純度為99.9％。 所述鈦粉、石墨粉與鋁粉的粒徑會影響復合涂層的性能，主要體現(xiàn)為：

1)粒徑越大預置涂層的孔隙越大、數(shù)量越多，從而使預置涂層的電阻率增大；而感應熔覆技術(shù)主要利用了熔覆材料在感應線圈產(chǎn)生的交變磁場作用下表面產(chǎn)生的渦流效應和集膚效應，其中材料的電阻率是影響渦流效應的重要因素，電阻率越小，渦流效應越顯著，材料升溫速度越快，感應加熱效率越高；反之，感應加熱效率低、加熱速度慢，不利于預置涂層快速熔化和原位合成反應的發(fā)生；

2)隨著粉末粒徑的增大，特別是石墨粉體粒徑過大，使石墨在整個預置前驅(qū)體粉末涂層中的分散不均勻，使最終形成的TiC增強相分布不均，使增強相的強化效果弱化；

3)粉末粒徑過大，對于Ti粉和Al粉而言，不易在感應熔覆過程中完全熔化，使凝固后形成的涂層組織不致密，存在孔隙等缺陷；對于石墨粉體而言，粒徑過大時會造成石墨顆粒芯部反應不完全，即熔覆后形成的涂層內(nèi)有未完全反應的石墨，同樣降低涂層性能。

本申請所述鋁粉的含量優(yōu)選為3wt％～6wt％，所述鋁粉主要是降低反應物的熔點，其次是作為合金元素固溶在鈦基涂層內(nèi)部起到對涂層基質(zhì)相固溶強化的作用；當Al的含量過多時，形成Ti₃Al和TiAl金屬間化合物，降低涂層的韌性，不利于涂層力學性能提高。

所述石墨粉的含量優(yōu)選為4wt％～15wt％，在實施例中，所述石墨粉的含量更優(yōu)選為6wt％～12wt％，所述石墨粉主要是為Ti+C＝TiC反應提供C元素，當C含量很小時，生成的TiC增強相體積分數(shù)優(yōu)先，對涂層起不到有效地強化作用；當C含量高于20wt％(通常C:Ti>1:1)時，造成TiC含量過高，Ti含量相對降低使整個復合體系在加熱熔化時熔池區(qū)域減小，降低液相對基體的潤濕性，不利于涂層成形，同時降低復合涂層的韌性，增大涂層裂紋傾向。

在實施例中，所述鈦粉的含量優(yōu)選為80wt％～90wt％。本申請所述預置前驅(qū)體粉末涂層的過程具體為：

將鈦粉、鋁粉與石墨粉經(jīng)過球磨后再與粘結(jié)劑混合，得到前驅(qū)體粉末的膏狀物；

將所述膏狀物涂覆于經(jīng)過預處理的鈦基表面，烘干后得到預置前驅(qū)體粉末涂層。

上述過程中，所述粘結(jié)劑優(yōu)選為質(zhì)量比1：(2～4)的松香和松節(jié)油的混合物；所述鋁粉、鈦粉與石墨粉的總質(zhì)量與所述粘結(jié)劑的質(zhì)量比優(yōu)選為(9～11)：1。所述前驅(qū)體粉末涂層的厚度優(yōu)選為0.2～1.0mm。所述烘干的溫度優(yōu)選為120℃～150℃，時間優(yōu)選為2～3h。

本申請最后將鈦基表面的預置前驅(qū)體粉末涂層進行感應熔覆，冷卻后得到感應熔覆原位合成鈦基復合涂層。

本申請所述感應熔覆的參數(shù)是影響鈦基表面涂層性能的重要因素，涂層制備過程需要控制的參數(shù)主要包括：感應加熱電源的輸出功率P_s(或工件表面感應加熱功率密度P₀)、零件與感應加熱線圈的相對移動速度v、預置涂層表面與感應線圈之間的距離a、內(nèi)孔工件旋轉(zhuǎn)速度n₁，軸類工件旋轉(zhuǎn)速度n₂；以上工藝參數(shù)的合理選擇是制備涂層的關(guān)鍵，具體參數(shù)選擇與鈦基基體結(jié)構(gòu)和尺寸、預置涂層厚度、預置涂層材料成分和電磁性能(磁導率、電阻率)等有關(guān)。

采用透入式加熱可提高感應加熱速度，減少熱量損失，提高感應加熱效率，除向基體內(nèi)部傳導和表面散失所損耗的功率，實際測定透入式加熱的有效功率約占感應電源總功率的50％～55％。采用透入式加熱方法將預置金屬粉末涂層加熱至熔化狀態(tài)所需的比功率可采用下式進行計算：

其中，P₀-總比功率(被加熱表面單位面積的功率，即功率密度)，W/cm²；

η-用于涂層加熱的有效比功率占總比功率的比例，％；

T₁-加熱至預置金屬粉末涂層熔化所需的溫度，℃；

T₀-加熱前預置金屬粉末涂層的溫度，℃；

c-預置金屬涂層材料的比熱容，J/kg·℃；

ρ₁-預置涂層的材料密度，g/cm³；

d-預置涂層的厚度，mm；

_t-感應加熱時間，s；

根據(jù)感應加熱線圈與工件相對移動速度、感應線圈有效加熱部分的長度(即感應器高度)可計算獲得感應加熱時間_t：

t＝h/v (2)；

其中，h-感應加熱線圈有效加熱部分的長度，mm；

v-線圈與工件之間相對移動速度，mm/s。

由公式(1)、(2)可知：

感應加熱設備的輸出功率(P_s)通常在感應加熱電源面板有顯示或可通過測量線圈電流和電壓并計算獲得，P_s與工件表面功率密度P₀存在如下關(guān)系：

P_s＝P₀·A (4)；

其中，P_s-感應加熱設備輸出總功率，kW；

A-感應線圈同時加熱面積。

對于軸類工件和內(nèi)孔類工件，感應線圈加熱面積與軸類工件直徑或內(nèi)孔類工件內(nèi)徑以及感應器長度有關(guān)，存在如下關(guān)系：

A＝πDh (5)；

其中，D-內(nèi)孔類工件內(nèi)徑或軸類工件直徑，cm；

h-感應器長度，即能夠?qū)崿F(xiàn)有效加熱部分的長度，mm。

對于平板類工件，當工件尺寸小于平面線圈尺寸時，感應線圈同時加熱面積近似為工件面積；當工件尺寸大于平面線圈尺寸時，感應線圈同時加熱面積近似為平面感應加熱線圈面積。

所以，涂層制備過程中感應加熱設備的輸出功率為：

由公式(6)可知，內(nèi)壁涂層感應熔覆過程中影響設備輸出功率的主要因素包括：涂層熔化所需溫度(即材料熔點)、加熱前涂層所 處環(huán)境溫度(通常為室溫)、涂層材料比熱容、涂層材料密度、涂層厚度、工件尺寸(平板工件厚度、內(nèi)孔工件內(nèi)徑、軸類工件直徑)、線圈與工件之間相對移動速度以及用于涂層加熱的有效功率占總功率比率。在實際涂層制備過程中，為確保預置涂層在加熱過程中完全熔化，T₁設定為高于涂層材料熔點50℃～150℃；T₀設定為室溫25℃；考慮到感應內(nèi)孔加熱過程感應線圈加熱效率較低，η設定為35～45％，對于軸類工件和平板類工件加熱，η設定為50～55％；工件其余參數(shù)對于特定涂層材料與零件尺寸均為已知或可通過測量獲得。通過以上可確定涂層制備過程中所需的感應加熱設備輸出功率的大致范圍。

零件與感應加熱線圈的相對移動速度-v的確定，由公式(2)可知，在感應加熱過程中，在感應加熱電源振蕩輸出功率一定的情況下，零件與感應加熱線圈的相對移動速度v主要影響加熱時間。零件與感應加熱線圈的相對移動速度越小，加熱時間越長，熱量向內(nèi)壁表面和基體內(nèi)部散失越多，熱效率低，容易導致零件過熱、變形或造成涂層過熔；相反，速度越高，加熱時間越短，熱量散失少，熱效率高，零件變形小，但可能存在局部不熔或涂層熔化不良；由公式(3)可知，為使預置涂層充分熔化，在其他參數(shù)不變的情況下，零件與感應加熱線圈的相對移動速度與所需感應加熱功率成正比，即v越大，要求設備輸出的功率(P_s)越高；另外，零件與感應加熱線圈的相對移動速度影響內(nèi)壁表面涂層的散熱；v越高，內(nèi)壁涂層表面散熱越快，預置涂層熔化后凝固速度越快，涂層內(nèi)部晶粒更加細化。

零件內(nèi)壁預置涂層表面與線圈間隙-a的確定，預置涂層表面與感應線圈之間的間隙是影響電效率和涂層加熱質(zhì)量的重要因素。間隙越小，漏磁損失越少，感應線圈的電效率越高，在感應加熱電源輸出功率不變的情況下，涂層表面比功率增加，使加熱速度增大，熱量更多地集中在涂層內(nèi)部，預置涂層在更短時間熔化，減少熱損失，有利于獲得好的涂層質(zhì)量。但考慮到間隙過小存在短路放電危險，同時涂層熔化過程中釋放熱量，容易造成線圈過熱。在本發(fā)明中，對預置涂層進行感應加熱制備熔覆涂層時，a可取4.0～6.0mm。

內(nèi)孔工件旋轉(zhuǎn)速度-n₁(針對在內(nèi)孔類工件內(nèi)壁表面制備涂層的情況)的確定，零件旋轉(zhuǎn)速度同樣是影響涂層質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。內(nèi)壁表面預置的金屬粉末涂層在高頻感應加熱過程中迅速熔化，在停止加熱后冷卻、凝固并形成與基體具有冶金結(jié)合特征的感應熔覆涂層。涂層在加熱熔化過程中受重力影響，容易發(fā)生流淌、變形現(xiàn)象，導致涂層厚度不均和性能下降。在預置內(nèi)壁涂層加熱熔化過程中保持零件高速旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力抵消重力影響，可使預置涂層熔化后仍保持良好成形狀態(tài)。同時，高速離心旋轉(zhuǎn)也有助于壓實涂層，提高涂層與基體結(jié)合強度，并有利于涂層內(nèi)部氣體的排除，從而降低涂層孔隙。

為確保預置涂層加熱熔化后仍保持成形狀態(tài)，要求零件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相對離心場RCF≥1，即：

由于ω＝2πn/60，于是零件旋轉(zhuǎn)速度下限n_min為：

其中，RCF-相對離心場，g；

D-零件內(nèi)壁直徑，厘米；

n-零件旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)/分；

ω-零件旋轉(zhuǎn)角速度，弧度/秒；

g-重力加速度，980厘米/秒²。

在實際操作中，由于過高的旋轉(zhuǎn)速度會使長工件加熱過程存在一定的安全隱患，因此要求RCF≤2，由此可計算零件旋轉(zhuǎn)速度的最大值n_max為：

軸類工件旋轉(zhuǎn)速度-n₂(針對在軸類工件內(nèi)壁表面制備涂層的情況)的確定，在軸類工件軸頸表面制備感應熔覆鈦基復合涂層時，工 件旋轉(zhuǎn)的目的是保證預置涂層受熱均勻。涂層在加熱熔化過程中受重力影響，容易發(fā)生流淌、變形現(xiàn)象，導致涂層厚度不均和性能下降。因此，工件的旋轉(zhuǎn)速度n₂不易過大，一般控制在20～60rpm以內(nèi)。

本申請所述鈦基可以為平板、軸頸和內(nèi)孔等不同形狀鈦合金基體表面，針對不同的鈦合金基體，根據(jù)感應熔覆參數(shù)確定的原則，確定感應熔覆的參數(shù)。

若所述鈦基為鈦合金平板，所述感應熔覆的過程具體為：

將表面預置有前驅(qū)體粉末涂層的鈦合金平板置于持續(xù)通入氬氣的保護罩內(nèi)，并固定在平面數(shù)控機床上，使其能按照設定的速度進行直線往復運動；

將與高頻感應加熱電源連接的平面感應解熱線圈置于鈦合金平板上方，調(diào)整工件表面預置涂層與感應線圈之間的距離；

采用感應線圈對鈦合金平板表面的預置涂層進行掃描熔覆，具體工藝參數(shù)為：所述感應熔覆的功率密度為20～40W/mm²，前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的距離為4～6mm，所述鈦合金平板的移動速度為1～3mm/s，氬氣流量為1.5～3L/min。

若所述鈦基為鈦合金軸頸，所述感應熔覆的過程具體為：

將表面預置有前驅(qū)體粉末涂層的鈦合金軸類工件固定在平面數(shù)控機床上，持續(xù)通入氬氣，使其能按照設定的轉(zhuǎn)速沿軸心進行往復運動和旋轉(zhuǎn)運動；

將所述鈦合金軸類工件置于與高頻感應加熱電源連接的軸頸感應加熱線圈內(nèi)部，調(diào)整工件高度使其與感應加熱線圈同軸；

采用感應線圈對鈦合金軸頸表面的預置涂層進行掃描熔覆，具體工藝參數(shù)為：所述感應熔覆的功率密度為15～40W/mm²，所述前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的間隙為4～6mm，感應線圈的移動速度為1～5mm/s，鈦合金軸頸的自轉(zhuǎn)速度為30～50r/min，氬氣流量為10～15L/min。

若所述鈦基為鈦合金內(nèi)孔，所述感應熔覆的過程具體為：

將表面預置有前驅(qū)體粉末涂層的鈦合金內(nèi)孔工件固定在平面數(shù) 控機床上，持續(xù)通入氬氣，使其能按照設定的轉(zhuǎn)速沿軸心進行往復運動和旋轉(zhuǎn)運動；

將與高頻感應加熱電源連接的內(nèi)孔感應加熱線圈置于鈦合金內(nèi)孔工件內(nèi)部，調(diào)整工件高度使其與感應加熱線圈同軸；

采用感應線圈對鈦合金內(nèi)孔表面預置涂層進行掃描熔覆，具體工藝參數(shù)為：所述感應熔覆的功率密度為20～50W/mm²，所述前驅(qū)體粉末涂層與感應線圈的間隙為4～6mm，感應線圈的移動速度為1～2mm/s，鈦合金內(nèi)孔工件的自轉(zhuǎn)速度為200～400r/min，氬氣流量為8～10L/min。

按照本發(fā)明，在將鈦基進行感應熔覆之后，則停止加熱并繼續(xù)通入保護氣體冷卻至150℃以下，自然空冷。

本專利利用感應加熱技術(shù)引燃Ti、Al和石墨混合物預置涂層，在鈦基表面制備原位復合鈦基涂層；該方法借助感應加熱技術(shù)集膚效應和渦流效應加熱并熔化涂層，且利用石墨和Ti之間的高溫自蔓延合成反應(SHS)放熱為涂層成形和增強相原位合成提供附加熱量，同時利用添加的低熔點合金化元素Al進一步降低反應物熔點，從而確保涂層具有良好的成形性以及原位合成陶瓷增強相。

本申請制備的鈦基復合涂層中碳化鈦增強相為原位合成，增強相與基體相容性好、界面純凈、分布均勻、顆粒細小；涂層硬度和彈性模量高，涂層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合；涂層內(nèi)部組織致密，無裂紋、孔隙等缺陷，表面光滑、平整，后續(xù)加工余量小；涂層原料和制備工藝簡單，熱影響區(qū)窄，涂層制備效率和粉末利用率高，可實現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)和增強相形態(tài)、粒度與分布的有效調(diào)控，涂層制備過程無污染。

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的鈦基表面復合涂層的制備方法進行詳細說明，本發(fā)明的保護范圍不受以下實施例的限制。

實施例1

尺寸為50mm×100mm×10mm的TC4鈦合金板材，其成分為Ti6Al4V；平面形感應線圈尺寸為30mm×50mm，線圈方形銅管尺寸8.0mm×8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

(1)鈦合金基體清洗與預處理

以棕剛玉為磨料，采用噴砂方法對待熔覆鈦合金板材表面進行預處理，去除表面氧化層和油污，再采用丙酮溶液對處理后基體表面進行超聲波清洗；

(2)預置反應前驅(qū)體粉末涂層

①混粉采用行星式球磨機將79wt％的鈦粉、15wt％的石墨粉和6wt％的鋁粉混合物進行球磨處理，球磨機轉(zhuǎn)速200r/min，處理時間2h；

②預置涂層將松香與松節(jié)油按照1:3的質(zhì)量比混合后加熱至80℃，制成粘結(jié)劑；將混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉與粘結(jié)劑混合、攪拌，制成膏狀物，借助刮刀和模具均勻涂于所述清潔和預處理后基體表面，獲得厚度1.0mm的預制涂層，并在干燥箱中進行烘干備用，烘干處理的溫度為150℃，時間2h。

(3)制備高頻感應熔覆涂層。

①固定工件將經(jīng)過步驟(2)處理的鈦合金板材置于持續(xù)通有氬氣的保護罩內(nèi)，并固定在平面數(shù)控機床上，使其按照設置的速度進行直線往復運動；

②調(diào)整感應線圈將與高頻感應加熱電源連接的平面感應加熱線圈置于鈦合金板材上方，調(diào)整鈦合金表面預置涂層與感應線圈之間的距離；

③高頻感應熔覆采用感應線圈對所述鈦合金平板基體表面預制涂層進行掃描熔覆；感應熔覆工藝參數(shù)為：線圈輸出功率為30kW(功率密度約為20W/mm²)、預制涂層與感應線圈距離為5.0mm、所述鈦合金平板工件移動速度為1mm/s、氬氣流量為1.5～3L/min；

④冷卻停止加熱并繼續(xù)通保護氣體冷卻至150℃以下，停止通氬氣并自然空冷。

圖1為通過實施例1的方法制備的鈦基復合涂層的X射線衍射(XRD)圖譜，由圖1可知，通過以上步驟獲得的熔覆層主要由TiC相和Ti相構(gòu)成，其中TiC相為鈦粉與石墨粉在感應熔覆過程中原位生成的硬質(zhì)陶瓷相。

圖2為通過實施例1的方法制備的鈦基復合涂層的截面整體微觀組織照片，由圖2可知，通過以上步驟獲得的熔覆層呈均勻連續(xù)、平整致密的微觀結(jié)構(gòu)，涂層厚度約為920μm。

圖3為本實施例制備的鈦基復合涂層內(nèi)部顯微組織照片，由圖3可知，涂層顯微組織致密、原位生成的硬質(zhì)相分布均勻，碳化鈦顆粒細小，平均粒徑為2～3μm。涂層顯微硬度范圍580～640HV_0.2，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍。

圖4為實施例制備的鈦基復合涂層與基體界面的顯微組織照片，由圖4可知，涂層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，涂層與鈦合金基體界面處形成了寬度約為200μm的過渡區(qū)。

實施例2

尺寸為50mm×100mm×10mm的TC4鈦合金板材，其成分為Ti6Al4V；平面形感應線圈尺寸為30mm×50mm，線圈方形銅管尺寸8.0mm×8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例1的方法相似，區(qū)別在于：感應熔覆工藝參數(shù)的調(diào)整。本實施例的工藝參數(shù)為：線圈輸出功率37.5kW(功率密度約為25W/mm²)、預置涂層與感應線圈距離5.0mm、所述鈦合金平板工件移動速度2mm/s、氬氣流量1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度590～630HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為185μm。涂層相結(jié)構(gòu)與實施例1獲得的涂層相近，主要由TiC顆粒和Ti基金屬構(gòu)成。涂層顯微組織如圖5所示，由圖5可知，涂層組織致密，碳化鈦顆粒形態(tài)主要由平均粒徑2～3μm的小尺寸顆粒和平均粒徑5～8μm的大尺寸顆粒構(gòu)成。由本實施例的結(jié)果可以看出，與實施例1獲得的涂層相比，采用本實施例所述方法獲得涂層與基體界面處過渡區(qū)域?qū)挾冗M一步變窄，涂層內(nèi)部原位合成的增強相尺寸進一步增大。

實施例3

尺寸為50mm×100mm×10mm的TC4鈦合金板材，其成分為Ti6Al4V；平面形感應線圈尺寸為30mm×50mm，線圈方形銅管尺寸8.0mm×8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例1的方法相似，區(qū)別在于：本實施例中調(diào)整了感應熔覆的工藝參數(shù)。本實施例的工藝參數(shù)為：線圈輸出功率45kW(功率密度約為30W/mm²)、預制涂層與感應線圈距離5.0mm、所述鈦合金平板工件移動速度3mm/s、氬氣流量1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度610～640HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為175μm。涂層相結(jié)構(gòu)與實施例1所用方法獲得的涂層相近，主要由TiC顆粒和Ti基金屬構(gòu)成。涂層顯微組織如圖6所示，由圖6可知，涂層組織致密，碳化鈦顆粒形態(tài)主要由平均粒徑5～8μm的大尺寸顆粒構(gòu)成。由本實施例的結(jié)果可以看出，與實施例1、2所述方法獲得的涂層相比，采用本實 施例所述方法獲得涂層與基體界面處過渡區(qū)域?qū)挾冗M一步變窄，涂層內(nèi)部原位合成的增強相尺寸進一步增大。

實施例4

尺寸為Φ40mm×200mm TC4鈦合金軸類工件，其成分為Ti6Al4V；軸頸感應線圈有效加熱長度30mm，圓形銅管尺寸Ф8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金軸類工件表面的制備方法，具體實施方法如下：

(1)鈦合金基體清洗與預處理

采用磨床對軸頸表面進行磨削預處理，去除表面氧化層，再以丙酮為清洗劑，將待熔覆鈦合金軸類工件進行超聲波清洗。

(2)預置反應前驅(qū)體粉末涂層

①混粉采用行星式球磨機將79wt％的鈦粉、15wt％的石墨粉和6wt％的鋁粉混合物進行球磨處理，球磨機轉(zhuǎn)速200r/min，處理時間2h；

②預置涂層將松香與松節(jié)油按照1:3的質(zhì)量比混合后加熱至80℃，制成粘結(jié)劑；將混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉與粘結(jié)劑混合、攪拌，制成膏狀物，并借助刮刀和旋轉(zhuǎn)機床均勻涂于所述清潔和預處理后基體表面，獲得厚度1.0mm的預制涂層，并在干燥箱中進行烘干備用，烘干處理的溫度設置范圍為150℃，時間2h。

(3)制備高頻感應熔覆涂層。

①固定工件將經(jīng)過步驟(2)處理的鈦合金軸類工件固定在平面數(shù)控機床上，使其按照設置的轉(zhuǎn)速沿軸心進行往復運動和旋轉(zhuǎn)運動；

②連接并調(diào)整感應加熱線圈將所述鈦合金軸類工件置于與高頻感應加熱電源連接的軸頸感應加熱線圈內(nèi)部，調(diào)整工件高度使其與感應加熱線圈同軸；

③高頻感應熔覆采用感應線圈對所述鈦合金軸頸表面預制涂層 進行掃描熔覆，感應熔覆工藝參數(shù)為：感應加熱功率38kW(功率密度約為15W/mm²)，所述鈦合金基體表面預制涂層與感應線圈間隙為5mm，感應線圈移動速度為1mm/s，鈦合金軸類工件自轉(zhuǎn)速度為30r/min，氬氣流量10～15L/min。

④冷卻停止加熱并繼續(xù)通保護氣體冷卻至150℃以下，再停止零件旋轉(zhuǎn)和通氣，自然空冷。

按照上述方法在鈦合金軸類工件表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.92mm，涂層平均顯微硬度580～640HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為200μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例1所用方法獲得的涂層相似。

實施例5

尺寸為Φ40mm×200mm TC4鈦合金軸類工件，其成分為Ti6Al4V；軸頸感應線圈有效加熱長度30mm，圓形銅管尺寸Ф8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金軸類工件表面的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例4的方法相似，區(qū)別在于：本實施例調(diào)整了感應熔覆工藝參數(shù)。具體工藝參數(shù)為：線圈輸出功率為50kW(功率密度約為20W/mm²)，預制涂層與感應線圈距離為5.0mm，所述鈦合金平板工件移動速度為2mm/s，氬氣流量為1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度590～630HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為185μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例2所用方法獲得的涂層相似。

實施例6

尺寸為Φ40mm×200mm TC4鈦合金軸類工件，其成分為Ti6Al4V；軸頸感應線圈有效加熱長度30mm，圓形銅管尺寸Ф8.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金軸類工件表面的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例4的方法相似，區(qū)別在于：本實施例中調(diào)整了感應熔覆工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)為：線圈輸出功率為62.5kW(功率密度約為25W/mm²)，預制涂層與感應線圈距離為5.0mm，所述鈦合金平板工件移動速度為3mm/s，氬氣流量1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度610～640HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為175μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例3所用方法獲得的涂層相似。

實施例7

內(nèi)孔尺寸為Φ35mm×200mm、壁厚為8mm的TC4鈦合金內(nèi)孔工件，其成分為Ti6Al4V；內(nèi)孔感應線圈有效加熱長度20mm，圓形銅管尺寸Ф5.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金內(nèi)孔工件內(nèi)壁表面的制備方法，具體實施方法如下：

(1)鈦合金基體清洗與預處理

采用磨床對內(nèi)壁表面進行磨削預處理，去除內(nèi)壁表面氧化層，再以丙酮為清洗劑，將待熔覆鈦合金內(nèi)孔工件進行超聲波清洗。

(2)預置反應前驅(qū)體粉末涂層

①混粉采用行星式球磨機將79wt％的鈦粉、15wt％的石墨粉和6wt％的鋁粉混合物進行球磨處理，球磨機轉(zhuǎn)速200r/min，處理時間2h；

②預置涂層將松香與松節(jié)油按照1:3的質(zhì)量比混合后加熱至80℃，制成粘結(jié)劑；將混合后的Ti粉、Al粉、石墨粉與粘結(jié)劑混合、攪拌，制成膏狀物，并借助刮刀和旋轉(zhuǎn)機床均勻涂于所述清潔和預處理后基體表面，獲得厚度1.0mm的預制涂層，并在干燥箱中進行烘干備用，烘干處理的溫度為150℃，時間2h；

(3)制備高頻感應熔覆涂層

①工件固定將經(jīng)過步驟(2)處理的鈦合金內(nèi)孔工件固定在平面數(shù)控機床上，使其按照設置的轉(zhuǎn)速沿軸心進行往復運動和旋轉(zhuǎn)運動；

②調(diào)整感應線圈將與高頻感應加熱電源連接的內(nèi)孔感應加熱線圈置于鈦合金內(nèi)孔工件內(nèi)部，調(diào)整工件高度使其與感應加熱線圈同軸；

③高頻感應熔覆采用感應線圈對所述鈦合金內(nèi)孔表面預制涂層進行掃描熔覆，感應熔覆工藝參數(shù)為：感應線圈輸出功率為45kW(功率密度約為20W/mm²)，所述鈦合金基體表面預制涂層與感應線圈間隙為5mm，感應線圈移動速度為1mm/s，鈦合金內(nèi)孔工件自轉(zhuǎn)速度為240r/min，氬氣流量8～10L/min；

④冷卻停止加熱并繼續(xù)通保護氣體冷卻至150℃以下，再停止零件旋轉(zhuǎn)和通氣，自然空冷。

按照上述方法在鈦合金軸類工件表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.92mm，涂層平均顯微硬度580～640HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為200μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例1和實施例4所用方法獲得的涂層相似。

實施例8

內(nèi)孔尺寸為Φ35mm×200mm、壁厚為8mm的TC4鈦合金內(nèi)孔工件，其成分為Ti6Al4V；內(nèi)孔感應線圈有效加熱長度20mm，圓形銅管尺寸Ф5.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金內(nèi)孔工件內(nèi)壁表面的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例7的方法相似，區(qū)別在于：本實施例中調(diào)整了感應熔覆工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)為：線圈輸出功率為55kW(功率密度約為25W/mm²)，預制涂層與感應線圈距離為5.0mm，所述鈦合金平板工件移動速度為2mm/s，所述鈦合金內(nèi)孔工件自轉(zhuǎn)速度為240r/min，氬氣流量1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度590～630HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為185μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例2和實施例5所用方法獲得的涂層相似。

實施例9

內(nèi)孔尺寸為Φ35mm×200mm、壁厚為8mm的TC4鈦合金內(nèi)孔工件，其成分為Ti6Al4V；內(nèi)孔感應線圈有效加熱長度20mm，圓形銅管尺寸Ф5.0mm、壁厚0.5mm。感應熔覆設備采用東莞廣源變頻電子設備廠GY-100AB型高頻感應加熱設備，設備振蕩頻率為80～200kHz，振蕩功率100kW。熔覆原料粉末分別為鈦粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)、石墨粉(粒徑3～5μm，純度99.99％)和鋁粉(粒徑10～25μm，純度99.9％)。

本實施例用于說明本發(fā)明的感應熔覆原位合成碳化鈦增強鈦基復合涂層在鈦合金內(nèi)孔工件內(nèi)壁表面的制備方法，具體地，本實施例的方法與實施例7的方法相似，區(qū)別在于：本實施例中調(diào)整了感應熔覆工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)為：線圈輸出功率為66kW(功率密度約為 30W/mm²)，預制涂層與感應線圈距離為5.0mm，所述鈦合金平板工件移動速度為3mm/s，所述鈦合金內(nèi)孔工件自轉(zhuǎn)速度為240r/min，氬氣流量為1.5～3L/min。

按照上述方法在鈦合金板材表面獲得的碳化鈦增強鈦基復合涂層平均厚度約為0.91mm，涂層平均顯微硬度610～640HV，約為TC4鈦合金基體硬度的2倍，涂層與基體界面的過渡區(qū)域?qū)挾燃s為175μm。涂層相結(jié)構(gòu)、碳化鈦顆粒尺寸與分布、涂層顯微組織等與實施例3和實施例6所用方法獲得的涂層相似。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。