本發(fā)明涉及掃描電子束改性tial/wc熔覆層增強(qiáng)高溫耐磨性的方法，尤其涉及一種具有芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的tic-ti3alc2強(qiáng)韌化α2-ti3al基的制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前，鈦合金和鈦鋁化物占現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量的三分之一，成為僅次于鎳基高溫合金第二大流行的發(fā)動(dòng)機(jī)材料。其中，tc21鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、溫度強(qiáng)度穩(wěn)定等諸多吸引人的優(yōu)點(diǎn)。然而，tc21鈦合金也面臨著表面硬度低、耐磨性不足的普遍問(wèn)題，這限制了其作為當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的應(yīng)用。目前主流的處理方式是在金屬表面制備特定的強(qiáng)化涂層，而碳化物陶瓷涂層具有使其適用于需要苛刻使用條件的操作場(chǎng)景的特性。特別是wc是應(yīng)用最廣泛的陶瓷碳化物材料之一，具有優(yōu)異的硬度、耐高溫性和耐磨性，它與金屬材料混合而形成復(fù)合粉末體系快速發(fā)展。

2、對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其核心的性能指標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。在各種金屬基材料中，tial涂層新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，是目前研究最廣泛的防護(hù)涂層。在高溫條件下，tial合金同時(shí)具備良好的抗蠕變性能及一定的抗氧化能力，且tial合金的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈦合金。而且，tial合金與鈦合金成分接近，熱膨脹率較低，其熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)與一些典型結(jié)構(gòu)材料接近，容易冶金結(jié)合。因此，以ti粉和al粉作為粘結(jié)劑，以wc作為增強(qiáng)顆粒制備高溫涂層材料具有不可替代的優(yōu)越性。此外，在涂層內(nèi)部形成ti-al-c?max相，作為第二相調(diào)控增強(qiáng)涂層的韌性和耐高溫性能，從而賦予涂層更為廣闊的應(yīng)用范圍具有重要意義。

3、隨著表面工程技術(shù)的蓬勃發(fā)展，鈦合金的表面特別適合制備涂層的技術(shù)有熱噴涂、冷噴涂、激光熔覆等。熱噴涂技術(shù)是將原料合金粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后在金屬基體上沉積和快速凝固。與熱噴涂不同，冷噴涂作為一種固態(tài)工藝，能夠通過(guò)低于熔化溫度的高速?zèng)_擊產(chǎn)生的強(qiáng)烈塑性變形將粉末沉積到基材上。然而，在合金粉末中引入合適的陶瓷增強(qiáng)材料用于噴涂工藝，在提高涂層的質(zhì)量和性能方面仍然面臨挑戰(zhàn)。熱噴涂和冷噴涂的固有不足，包括顆粒之間和涂層與基體之間的結(jié)合力有限，因此無(wú)法充分滿足極端惡劣的服役環(huán)境，例如高溫、高磨損和高疲勞環(huán)境。相比之下，激光熔覆制備達(dá)到致密保護(hù)涂層與基體表現(xiàn)出很強(qiáng)的冶金結(jié)合。激光熔覆能反應(yīng)產(chǎn)生有利的相增強(qiáng)涂層，如陶瓷增強(qiáng)相，自潤(rùn)滑相等。因此，lc技術(shù)在金屬涂層領(lǐng)域占有重要地位。sui等（sui?x,?weng?y,zhang?l,?et?al.?uncovering?the?effect?of?ceo2?on?the?microstructure?andproperties?of?tial/wc?coatings?on?titanium?alloy[j].?coatings,?2024,?14(5):543.）通過(guò)激光熔覆技術(shù)成功在鈦合金表面制備ti-al/wc復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)原位生成硬質(zhì)tic和自潤(rùn)滑的ti2alc?max相，熔覆層硬度及耐磨性得到顯著提升。

4、眾所周知，在硬度和耐磨性能方面，ti3alc2?max相相對(duì)于ti2alc?max相具有更佳的自潤(rùn)滑性能，這使得ti3alc2在摩擦應(yīng)用中可能表現(xiàn)更好。然而，ti3alc2相需要更高的能量密度來(lái)加速ti和al元素與c元素之間的相互作用才能生成。

5、目前，作為高能光束之一的電子束技術(shù)，被認(rèn)為是一種有效的改性方法，可以在不改變襯底材料的情況下增強(qiáng)表面性能和優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)。由于它比激光具有更高的能量密度，可以促使ti、al和c元素更均勻地分布在涂層中。此外，驟熱極冷下可以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化使材料性能的大幅提升，極快的冷卻速率會(huì)減少非期望相的生成，有利于穩(wěn)定ti3alc2?max相的形成。同時(shí)，電子束材料改性是在真空環(huán)境下進(jìn)行的，以保證無(wú)任何污染物或雜質(zhì)，低能耗，高可靠性。然而，電子束技術(shù)存在關(guān)鍵性的難題是不適合制備涂層。一方面，抽氣瞬間真空室產(chǎn)生的氣流會(huì)帶走粉狀物料；另一方面，電子束作用在金屬粉末上的力改變了粉末的堆積狀態(tài)，限制了在涂層方面的很好應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于有效解決電子束技術(shù)不適合制備涂層的難題，并提供一種在tial/wc涂層中生成具有芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的tic-ti3alc2強(qiáng)韌化α2-ti3al基的制備方法，進(jìn)而增強(qiáng)涂層的高溫耐磨性。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

3、一種具有芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的tic-ti3alc2強(qiáng)韌化α2-ti3al基的制備方法，首先，將包括ti和al元素的粉末與wc陶瓷粉混合均勻，混勻后預(yù)置于鈦合金或鈦鋁合金表面，形成預(yù)置涂覆層；

4、然后，對(duì)預(yù)置涂覆層進(jìn)行激光熔覆，得到有tial/wc熔覆層的鈦合金或鈦鋁合金；

5、最后，利用掃描電子束對(duì)tial/wc熔覆層表面進(jìn)行改性處理，得到改性的tial/wc涂層；

6、所述制備方法，在凝固過(guò)程中，由于與tic形成相關(guān)的低吉布斯自由能，tic優(yōu)先析出成“芯”，通過(guò)控制掃描速度改變能量密度和冷卻速率，從而促使析出tic相的邊緣與未凝固的ti-al熔體發(fā)生局部反應(yīng)生成?“環(huán)”ti3alc2?max相，形成tic-ti3alc2芯-環(huán)組織，進(jìn)而以增強(qiáng)相強(qiáng)化金屬基體涂層，大大提高鈦鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能和高溫耐磨性。

7、進(jìn)一步地，制備方法所述預(yù)置粉末原料的ti粉，純度≥99.9%，≥300目；

8、al粉，純度≥99.9%，200~300目；

9、wc陶瓷粉，純度≥99.9%，粒度<10μm；

10、ti:al的原子比為1:1，wc陶瓷顆粒為20wt.%。

11、進(jìn)一步地，制備方法所述ti粉、al粉與wc陶瓷粉配置后充分研磨1-2h，使粉末混合分散均勻；

12、研磨后的粉末放置真空干燥箱中，在50-100℃下烘干12-36h以去除粉末中的水分，得到的干燥混合粉末均勻涂覆于試樣待熔覆表面，形成預(yù)置涂覆層，粉末厚度為1-2mm。

13、進(jìn)一步地，制備方法所述激光熔覆機(jī)在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔覆處理，光斑直徑為3mm，工作波長(zhǎng)為1070nm，離焦量為20mm，激光功率為900w-1100w，掃描速度為3?mm/s-6mm/s。

14、進(jìn)一步地，制備方法所述利用掃描電子束對(duì)tial/wc熔覆層表面進(jìn)行改性處理，掃描電子束的真空度為p≤6.5×10－3pa，加速電壓為58-62kv，掃描頻率為300hz，束流為2-6ma，掃描環(huán)直徑為4mm，掃描速度為2-10mm/s。

15、本發(fā)明制備方法，將wc陶瓷顆粒引入tial基涂層，c溶解在ti-al熔體中發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)固溶度降低時(shí)，芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的tic-ti3alc2、單獨(dú)的tic和ti3alc2?max相均勻分布在α2-ti3al金屬間基體上，增強(qiáng)增韌提高熔覆層的綜合性能；涂層中w原子均勻彌散釘扎在晶界，從而阻礙晶界的移動(dòng)和晶粒的長(zhǎng)大。這種釘扎作用不僅提高了材料的熱穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了涂層金屬基體的機(jī)械性能，如強(qiáng)度和硬度；改性后的tial/wc熔覆層與鈦合金基體潤(rùn)濕性良好，ti和al原子在涂層底部熔化區(qū)的分布自然地均勻地相互過(guò)渡，界面冶金結(jié)合牢固。

16、本發(fā)明制備方法，對(duì)預(yù)置涂層進(jìn)行激光熔覆得到有熔覆層的鈦合金后，再利用掃描電子束進(jìn)行涂層表面改性處理。改性的tial/wc熔覆層成型質(zhì)量良好，無(wú)明顯缺陷。適量碳化物（＜10wt.%）的添加會(huì)提升tial/wc熔覆層與tc21鈦合金基體的潤(rùn)濕性和相容性。

17、此外，由于粘接劑受熱分解產(chǎn)生的氣體容易污染鈦合金表面，導(dǎo)致熔覆層缺陷的產(chǎn)生，因此本發(fā)明方法未使用任何粘連劑。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

19、（1）本發(fā)明制備的改性tial/wc復(fù)合熔覆層，其硬度為609.6hv0.1~780.1hv0.1，是tc21鈦合金基體的1.69~2.17倍；涂層在800?c高溫下的平均耐磨性為1.838~5.952h/mm3。其耐磨性是基體的1.379~4.47倍。這主要是由于α2-ti3al金屬間化合物的存在、大量花瓣?duì)畹膖ic-ti3alc2芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的形成、單獨(dú)的剛性支撐硬質(zhì)tic以及具有自潤(rùn)滑作用的ti3alc2max相生成，都有助于涂層綜合力學(xué)性能獲得了大幅提升。

20、（2）與發(fā)明專利（專利號(hào)：cn107414086b，名稱：一種碳化物與鈦合金層協(xié)同強(qiáng)韌化tial基合金及其制備方法）相比，存在本質(zhì)區(qū)別。首先是金屬陶瓷粉不同，已授權(quán)的專利的陶瓷粉末是tic，其次ti粉、al粉的成分配比也不同，直接影響著涂層的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)性能。其次，已授權(quán)的專利是將混合粉體與帶有貫通結(jié)構(gòu)的鈦合金薄板交替逐層堆疊，并且使混合粉體填充貫通結(jié)構(gòu)，得到生坯后進(jìn)行燒結(jié)，得到碳化物與鈦合金層協(xié)同強(qiáng)韌化tial基合金，而本發(fā)明是先將預(yù)置在鈦合金表面的混合粉體通過(guò)激光熔覆技術(shù)制備預(yù)熔覆涂層，再利用掃描電子束對(duì)熔覆層進(jìn)行表面改性處理，得到碳化物和tial金屬間化合物協(xié)同強(qiáng)化鈦合金。最后，已授權(quán)的專利是tic與ti-al合金反應(yīng)，生成碳化物ti2alc和ti3alc2，而本發(fā)明是wc與ti-al合金反應(yīng)，生成碳化物tic和ti3alc2，形成芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的tic-ti3alc2，在高溫惡劣服役環(huán)境下更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。