一種通過納米化因子使鈦合金激光沉積層納米化的方法
【專利說明】一種通過納米化因子使鈦合金激光沉積層納米化的方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)鈦合金表面激光熔化沉積層納米化的方法，屬于材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種利用Zn-SiC納米化因子在氬氣環(huán)境下使鈦合金基材表面Stellite 21基激光熔化沉積層納米化的方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]鈦合金具有高比模量、高比強(qiáng)以及優(yōu)異耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域。激光熔化沉積層中產(chǎn)生的納米顆粒因其特殊的結(jié)構(gòu)和尺寸效應(yīng)，而具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，如高耐磨性和耐高溫氧化性等。Stellite 21粉末是一種高硬度的鎳鉻硼硅鐵合金粉末，具有自熔性與潤(rùn)濕性優(yōu)良且熔點(diǎn)較低等特性，其激光熔化沉積層具有硬度高、高耐蝕、耐磨及耐熱等特點(diǎn)；適量陶瓷相加入可顯著提高Ni60A基激光熔化沉積層的硬度與耐磨性能。由于Stellite 21粉末所包含的Ni與γ-Fe同為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，可無限互溶；Ni優(yōu)先與γ-Fe形成固溶體晶核，晶核不斷從處于熔融狀態(tài)的熔池中吸收大量Ni原子而長(zhǎng)大，并使大量Ni元素發(fā)生聚集，在熔合區(qū)形成富Ni網(wǎng)狀γ - (Fe,Ni)奧氏體相，利于提升沉積層的塑韌性。Stellite合金，即通常所說的CoCrW(Mo)合金或鈷基合金，是一種耐磨損和抗高溫氧化的硬質(zhì)合金。將適量Stellite加入激光熔化沉積層中，該層將具有高硬度、耐腐蝕、耐磨及耐熱等諸多優(yōu)點(diǎn)。Zn對(duì)StelIite基激光沉積層的納米化過程，是利用Zn在激光恪池中原位生成諸如Co5Zn21& CoCr等納米顆粒來極大抑制其它晶化相長(zhǎng)大過程，也是大量納米晶生成的過程，該類納米晶在高溫熔池中具有極高的擴(kuò)散率，易引發(fā)晶格畸變，使激光沉積層發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變；SiC陶瓷相產(chǎn)生可顯著細(xì)化激光沉積層晶界處的網(wǎng)狀共晶組織。
[0005]由于熔化沉積過程中熔池各部位受熱不均勻，許多細(xì)小的陶瓷相無法充分熔化而成為晶體結(jié)晶的形核點(diǎn)，利于細(xì)化層組織。激光熔化沉積過程中，大量具有小原子半徑的非金屬元素，如S1、C等元素因熔化沉積粉末熔化或基材的稀釋作用而進(jìn)入熔池，增加了原子的堆垛密度，利于增強(qiáng)過冷液相的穩(wěn)定性，促使非晶相在層中產(chǎn)生。因激光輻射所產(chǎn)生熔池具有急冷特性，因此非晶相產(chǎn)生過程利于納米晶的產(chǎn)生；另外，在激光熔化沉積過程中，由于基材對(duì)熔池的稀釋作用，大量Al、T1、Mo、V、Zr元素由基材進(jìn)入熔池，可顯著改善層的耐磨性。Mo、Zr、V均屬于強(qiáng)碳化物形成元素，熔化沉積過程中所生成的碳化物穩(wěn)定且不易長(zhǎng)大，質(zhì)點(diǎn)細(xì)小，可有效阻止晶界移動(dòng)并細(xì)化組織結(jié)構(gòu)。
[0006]基于上述科學(xué)原理，本發(fā)明提出了一種能夠降低生產(chǎn)成本，使鈦合金激光熔化沉積層納米化的處理方法。現(xiàn)有鈦合金表面激光處理使用的預(yù)置粉末為Stellite21-TiC-Zn-SiC，直接用水玻璃溶液均勻攪拌成糊狀涂覆于鈦合金表面，而后進(jìn)行激光熔化沉積；Stellite 21具有極強(qiáng)的玻璃形成能力，Co與Ni元素進(jìn)入熔池利于非晶相產(chǎn)生。
[0007]掃描電鏡照片表明，氬氣環(huán)境下產(chǎn)生的Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉積層的組織結(jié)構(gòu)均勻，無裂紋及氣孔產(chǎn)生(見圖1a);圖1b所示為納米化因子作用下沉積層中催生出的大量納米化顆粒形貌。Zn-SiC添加到激光熔化沉積層的目的是為通過化學(xué)反應(yīng)使沉積層呈納米化結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提升鈦合金表面耐磨損性的目的。
[0008]采用MM200磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定梯度復(fù)合材料的抗磨性能。選用尺寸為Φ40Χ 12的YG6硬質(zhì)合金磨輪，轉(zhuǎn)速400 r/min，載荷為5 kg。圖2顯示了氬氣環(huán)境中產(chǎn)生的Stellite21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉積層的磨損量，該沉積層的磨損量約為鈦合金基材的1/15，為未加入Zn-SiC納米化因子激光熔化沉積層的1/2。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明通過Zn-SiC納米化因子的引入誘導(dǎo)鈦合金激光熔化沉積層納米化，從而改善其表面形貌并提升鈦合金表面耐磨性。該技術(shù)可應(yīng)用于金屬零部件制造等諸多方面。
[0011]具體步驟:
(1)將一定質(zhì)量比例Stellite 21 (I ?220 ym)、TiC (I ?180 μm),Zn-SiC (10 ?220 μ m混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；
(2)將糊狀混合粉末均勾涂敷于鈦合金表面，層厚度0.1?2.6 mm,自然風(fēng)干；
(3)用激光束對(duì)上述預(yù)置層的試樣表面進(jìn)行激光熔化沉積，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護(hù)熔池及鏡筒。工藝參數(shù):激光功率260?4100 W，掃描速度0.5?25mm/s，光斑直徑0.5?8 mm，氬氣保護(hù)氣壓0.1?1.2 MPa。本發(fā)明能夠獲得顯微硬度顯著提高的鈦合金表面激光熔化沉積納米化層。
[0012]在混合粉末涂覆之前可清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。
[0013]所述步驟(I)中的水玻璃溶液的模數(shù)為1.2?5.4。
[0014]步驟(2)所述鈦合金可為TA15\TC17\TC4\TA2牌號(hào)。
[0015]步驟(2)所述混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù):TiC3%_38%，Znl%_12%，SiC8%-16%，余量 Stellite 21。其中 Stellite 21 名義化學(xué)成分:C0.25，Cr27.00，Sil.00，W0.15，F(xiàn)e2.00，Μο5.50，Ni3.00，Mnl.00，余為 Co。
[0016]本發(fā)明在氬氣保護(hù)氣條件下激光熔化沉積過程中，試樣保持原有運(yùn)動(dòng)速度不變。試樣表面完全激光熔化沉積后，將激光關(guān)閉，兩秒鐘后將保護(hù)氣體關(guān)閉。后關(guān)閉保護(hù)氣的目的是為對(duì)試樣表面進(jìn)行充分保護(hù)。
[0017]本發(fā)明能夠獲得耐磨性及表面形貌較好的鈦合金激光納米化層。有工藝簡(jiǎn)單方便、適用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
[0018]
【附圖說明】
圖1是Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉積層的宏觀SEM像(a)；微觀納米顆粒像(b)。
圖2是氬氣環(huán)境中Stellite 21_TiC-Zn_SiC、Stellite 21_TiC激光熔化沉積層與TC17鈦合金的磨損體積圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1:
將TC17合金切成長(zhǎng)度10 mm、寬度35 mm、厚度10 mm的正方體。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)77%Stellite 21、10%TiC、3%Zn、10%SiC的混合粉末激光恪化沉積于其10 mmX35 mm面上。
[0020]具體工藝步驟:
(1)在激光沉積之前，用120號(hào)砂紙打磨TC17鈦合金待激光處理表面，使其表面粗糙度達(dá)Ra 2.5 y m;然后用體積百分比25%硫酸水溶液對(duì)待激光處理表面進(jìn)行清洗，酸洗時(shí)間5?10 min ;酸洗后，用清水沖洗、用酒精將待熔工件表面擦拭干凈、吹干；
(2)用玻璃試管配置20ml的水玻璃溶液，該水玻璃溶液中的純水玻璃與水的體積配置比例為1:3，即量取5 ml的純水玻璃和15 ml的水，在玻璃試管內(nèi)攪拌均勻；
(3)在天平上分別稱取Stellite21合金粉0.77 g、TiC粉0.10g、Zn粉0.03g，SiC粉0.10g，將稱量好的粉末倒入小燒杯中，用模數(shù)1.1?3.6的水玻璃溶液將此混合粉末均勻攪拌成糊狀。Stellite 21基底粉末尺寸50?100 μm，TiC、Zn、SiC粉末尺寸40 μπι?110 μ m ；
(4)將糊狀混合粉末均勻地涂敷于鈦合金表面，層厚0.7 _，自然風(fēng)干；
(5)用激光束對(duì)上述玻璃容器中的試樣表面進(jìn)行激光沉積處理；工藝參數(shù):激光功率800W，掃描速度6 mm/s，光斑直徑4 mm，氬氣保護(hù)氣壓0.4 MPa ；
(6)將試樣放置于正對(duì)著激光發(fā)射口的位置。位置調(diào)整好之后，用激光器上平行調(diào)節(jié)試樣位置的扳手將試樣與激光器發(fā)射口拉開一定的距離，然后讓試樣向激光噴口以6 mm/s速度勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)試樣將要運(yùn)動(dòng)到激光發(fā)射口時(shí)，提前開啟激光發(fā)射器，試樣表面發(fā)生激光熔化沉積。試樣表面完全激光熔化沉積后，將激光關(guān)閉，兩秒鐘后將保護(hù)氣體關(guān)閉。激光處理完成后，Stellite 21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉積層的磨損體積約為TC17基材的1/16。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種納米化因子作用下鈦合金激光熔化沉積層納米化的方法: (1)將一定質(zhì)量比例Stellite21-Ti C-Zn-Si C混合粉末用水玻璃溶液(Na20.nSi02)均勻調(diào)成糊狀；所述Stellite 21粉末尺寸I?220 μm，TiC粉末尺寸I?180 μπι ,Zn-SiC粉末尺寸10?220 μ m ;后將糊狀混合粉末均勻地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2牌號(hào)鈦合金表面，自然風(fēng)干； (2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2鈦合金表面，層厚0.1?2.6mm ； (3)用激光束對(duì)上述鈦合金試樣表面進(jìn)行激光熔化沉積，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護(hù)熔池及鏡筒；工藝參數(shù):激光功率260?4100 W，掃描速度0.5?25 mm/s，光斑直徑0.5?8 mm，氬氣保護(hù)氣壓0.1?1.2 MPa02.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使TA15\TC17\TC4\TA2鈦合金激光熔化沉積層納米化的方法，其特征是，步驟(I)所述的混合粉末中，各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù):TiC3%-38%，Znl%-12%,SiC8%-16%，余量 Stellite 21。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用化學(xué)方法制備納米化激光熔化沉積復(fù)合材料的方法。步驟如下：將一定質(zhì)量比例Stellite 21基底粉末、TiC、Zn-SiC混合粉末用水玻璃均勻調(diào)成糊狀。Stellite 21尺寸1～220 μm、TiC尺寸1～180 μm，Zn-SiC為納米化因子，尺寸10～220 μm。將糊狀混合粉末均勻涂敷于鈦合金表面，層厚0.1～2.6 mm，自然風(fēng)干。用激光束對(duì)上述鈦合金試樣表面進(jìn)行激光處理。工藝參數(shù)：激光功率260～4100 W，掃描速度0.5～25 mm/s，光斑直徑0.5～8 mm，氬氣保護(hù)氣壓0.1～1.2 MPa。本發(fā)明能夠獲得耐磨性顯著提高的納米化激光熔化沉積層。
【IPC分類】C23C24/10, C22C32/00, C22C19/07
【公開號(hào)】CN104988493
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510279059
【發(fā)明人】李嘉寧, 張?jiān)? 霍玉雙, 羅輝, 劉鵬, 石磊
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年5月28日