一種具有球形顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鈦合金表面強(qiáng)化處理技術(shù)，具體涉及一種具有球形顆粒增強(qiáng)的鈦合金 激光強(qiáng)化涂層。 (二）
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金是近年來(lái)獲得廣泛應(yīng)用的一種具有優(yōu)秀綜合性能的金屬材料，目前多用于 制作葉片、葉盤以及各類泵閥等高速過(guò)流部件。鈦合金部件目前公認(rèn)的有效強(qiáng)化手段主要 為表面氮化處理。傳統(tǒng)使用較多的是高溫氮化技術(shù)，包括高溫氣體氮化、離子氮化等。但一 般均存在氮化層厚度過(guò)?。◣孜⒚椎綆资⒚祝?、需要整體高溫加熱以及氮化過(guò)程中整體 氣氛要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，致使氮化效率不高，尤其是對(duì)大尺寸部件應(yīng)用困難等。針對(duì)這一問(wèn) 題，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，人們又提出了激光氣體氮化技術(shù)，該技術(shù)是一種局部強(qiáng)化技術(shù)， 通過(guò)高溫下激光熔池中的液態(tài)鈦與周圍氣氛中的氮發(fā)生反應(yīng)獲得高硬度的含氮增強(qiáng)相實(shí) 現(xiàn)強(qiáng)化。該技術(shù)具有不需要整體高溫加熱、硬化深度大（數(shù)十微米到數(shù)百微米）、僅需局部 氣氛保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此引起了廣泛的興趣。但其參加反應(yīng)的氮含量難以精確控制導(dǎo)致高的 裂紋敏感性以及表面粗糙等問(wèn)題，極大的限制了該技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用。因此目前工 業(yè)上急需一種既能夠發(fā)揮表面高硬度強(qiáng)化層高強(qiáng)度特性，又能夠兼顧長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的鈦合 金表面氮化強(qiáng)化技術(shù)。
[0003] 針對(duì)傳統(tǒng)激光氮化技術(shù)存在的問(wèn)題，這里提出了一種新的、具有氮含量高度可控 的鈦合金表面激光大尺寸球形顆粒氮化處理技術(shù)。 (三）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金表面的新型激光大尺度球形顆粒氮化復(fù)合涂層， 其中氮含量高度可控，耐磨性好，且在提高鈦合金表面硬度的同時(shí)能夠兼顧較厚的強(qiáng)化層 厚度，從而有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種具有大尺寸球形顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其制備方法包括如下步 驟：
[0007] (1)對(duì)鈦合金表面待處理區(qū)域進(jìn)行表面清潔處理；
[0008] (2)在步驟（1)處理后的鈦合金表面待加工區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑 的混合物，根據(jù)表面幾何構(gòu)形進(jìn)行激光輻照，輻照過(guò)程中熔池溫度需保持在1600?3300°C 之間，在激光作用過(guò)程中采用保護(hù)性氣氛對(duì)激光作用區(qū)進(jìn)行保護(hù)，從而在鈦合金表面獲得 強(qiáng)化涂層；所述特殊增強(qiáng)材料粉末是下列三類物質(zhì)的混和粉末：① Ti單質(zhì)、②合金、③鈦的 球形氮化物粉末，所述的合金選自下列任意幾種金屬形成的合金：w、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、 Fe，所述的鈦的球形氮化物粉末為球形或近球形的純鈦或鈦合金粉末經(jīng)過(guò)氮化處理獲得的 球形或近球形氮化物粉末，其粒徑在10?200 μ m之間；以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的 混合物質(zhì)量為100%計(jì)，其中Ti單質(zhì)的質(zhì)量百分比在40?90%之間，合金的質(zhì)量百分比在 f 16%，鈦的球形氮化物粉末的質(zhì)量百分比在0. 5?30%之間，并且粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比 芻 50%。
[0009] 本發(fā)明所述的具有球形顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，包括大尺度球形顆粒增 強(qiáng)層和界面過(guò)渡層，兩涂層是在激光處理過(guò)程中一次性獲得。激光在基體表面作用過(guò)程中 作用區(qū)域表面發(fā)生熔化，Ti與經(jīng)過(guò)預(yù)先氮化處理的大尺寸球形或近球形氮化物顆粒進(jìn)行 溶解反應(yīng)，并在后續(xù)凝固過(guò)程中通過(guò)自生反應(yīng)析出，形成大尺寸球形顆粒+致密的微、納米 尺度枝晶復(fù)合增強(qiáng)層，該顆粒增強(qiáng)層具有粒徑在5?80 μ m之間的大尺度球形或近球形 氮化物增強(qiáng)顆粒，顯微觀察呈糾纏態(tài)或彌散態(tài)分布，其厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同一般 >400 μπι;界面過(guò)渡層位于大尺度球形顆粒增強(qiáng)層和鈦合金基體之間，厚度根據(jù)處理工藝參 數(shù)的不同一般介于100?600 μ m之間，其與大尺度球形顆粒增強(qiáng)層之間的硬度過(guò)渡為梯度 過(guò)渡，與鈦合金基體之間的硬度過(guò)渡也為梯度過(guò)渡。
[0010] 下面對(duì)技術(shù)方案做具體說(shuō)明。
[0011] 本發(fā)明步驟（1)中，所述的表面清潔處理即為常規(guī)的除油、除銹等清潔處理。
[0012] 本發(fā)明步驟（2)中預(yù)置的材料為特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑，所述特殊增強(qiáng)材料 粉末中，單質(zhì)Ti主要起基相作用，合金兼具基相和強(qiáng)化作用，可選自下列任意幾種的組合： W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，優(yōu)選所述合金為Al、V、Mo和Zr的組合，其中Al、V、Mo和Zr的 質(zhì)量比為1 :〇. 05?0. 95 :0. 05?0. 45 :0. 05?0. 55 ;或優(yōu)選所述合金為A1、V和Mo的組 合，其中A1、V和Mo的質(zhì)量比為I :0. 10?0.76 :0.05?0.35 ;或者優(yōu)選所述合金為Al和V 的組合，其中Al和V的質(zhì)量比例為1 :0. 45?0. 85。在配制混和粉末過(guò)程中，除可將Ti單 質(zhì)、合金和球形氮化物直接混和外，為進(jìn)一步提高混和的均勻性，還可以先將單質(zhì)Ti和合 金按照上述成份范圍制成預(yù)制粉末，然后再與球形氮化合物混和。鈦的球形氮化合物主要 起強(qiáng)化和提供N源的作用。本發(fā)明預(yù)置的材料中加入粘結(jié)劑可以提高特殊增強(qiáng)材料粉末的 附著能力，粘結(jié)劑可選自下列一種或任意幾種的組合：膠水、香蕉水、纖維素或環(huán)氧樹脂等。
[0013] 本發(fā)明步驟（2)預(yù)置的特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，以特殊增強(qiáng)材料粉 末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100 %計(jì)，優(yōu)選其中Ti單質(zhì)的質(zhì)量百分比為51?90 %，合金的質(zhì)量 百分比為3?14%，鈦的氮化合物的質(zhì)量百分比為1?15%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為3? 40%。更優(yōu)選Ti的質(zhì)量百分比為59?85. 5%，合金的質(zhì)量百分比為3. 5?15%，鈦的氮化 合物的質(zhì)量百分比為3?11%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為5?30%。更進(jìn)一步優(yōu)選Ti的質(zhì) 量百分比為69?75%，合金的質(zhì)量百分比為5?10%，鈦的氮化合物的質(zhì)量百分比為5? 15 %，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為5?20 %。
[0014] 本發(fā)明在表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑后，根據(jù)表面幾何構(gòu)形 選擇一定經(jīng)整形后的光束進(jìn)行激光處理，所述的經(jīng)整形后的光束為圓形光斑或環(huán)形光斑光 束。米用圓形光斑時(shí)，焦點(diǎn)處光斑直徑在〇.5mm?60mm之間；米用環(huán)形光斑時(shí)，焦點(diǎn)處光斑 內(nèi)直徑不小于0. 5_，外直徑不大于60_。所述的激光處理的工藝參數(shù)推薦如下：
[0015] 采用激光輻照，激光功率彡300W，激光功率密度彡104W/cm2,掃描速度彡0. 05m/ min，多道掃描時(shí)搭接量5?90 %;進(jìn)一步，優(yōu)選激光功率600?3500W，激光功率密度IO4? 106W/cm 2,掃描速度0. 1?I. 8m/min，多道掃描時(shí)搭接量10?30%。
[0016] 本發(fā)明激光處理過(guò)程中的保護(hù)性氣氛推薦為惰性氣體氣氛，如氬氣、氦氣等。
[0017] 本發(fā)明所述的復(fù)合涂層，具有低倍下增強(qiáng)顆粒呈球形或近球形形態(tài)、高倍下呈球 形增強(qiáng)顆粒+微、納米尺度氮化物枝晶復(fù)合增強(qiáng)特征的兩級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以通過(guò)如 下步驟形成更大厚度的復(fù)合涂層：在上述步驟（2)獲得的強(qiáng)化涂層表面通過(guò)激光熔覆或電 子束沉積或堆焊的方式制備一層不含增強(qiáng)成分的純鈦或鈦合金基底層，然后在其上重復(fù)步 驟（1)和步驟（2)的操作，從而可在鈦合金表面形成包含多個(gè)復(fù)合涂層形成"硬一軟一硬" 多層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：
[0019] 1.采用本方法能夠有效的控制參加反應(yīng)的N以及其它強(qiáng)化成分的含量，解決了傳 統(tǒng)激光表面氮化過(guò)程中參加反應(yīng)的強(qiáng)化成分含量難以精確控制的難題；
[0020] 2.本發(fā)明的復(fù)合涂層，具有低倍下增強(qiáng)顆粒呈球形或近球形形態(tài)、高倍下呈球形 增強(qiáng)顆粒+微、納米尺度氮化物枝晶復(fù)合增強(qiáng)特征的兩級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)，多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化涂 層能提高鈦合金表面硬度，且強(qiáng)化層厚度大，高硬度區(qū)呈島狀分布，具有多種尺度復(fù)合增強(qiáng) 相，并可通過(guò)增強(qiáng)材料的成份變化實(shí)現(xiàn)梯度涂層等，從而有利于涂層長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；
[0021] 3.該復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層工藝簡(jiǎn)單，可靠性好，易于獲得，不需要復(fù)雜的氣氛保護(hù)，僅 在大氣條件下采用Ar、He等惰性氣體進(jìn)行局部保護(hù)即可獲得高質(zhì)量復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層；
[0022] 4.通過(guò)變化不同工藝參數(shù)與表面施涂材料，可以獲得不同表面硬度與綜合性能的 夾心結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同的表面強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域，適用面廣。 (四）
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為實(shí)施例1制得的強(qiáng)化涂層的致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層的微觀織構(gòu)顯微照 片。
[0024] 圖2為實(shí)施例1制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
[0025] 圖3為實(shí)施例2制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
[0026] 圖4為實(shí)施例3制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
[0027] 圖5為對(duì)比例制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。 (五）
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明，但