鎳基高溫合金表面Ni-納米TiN復(fù)合層電沉積—激光重熔強(qiáng)化工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非傳統(tǒng)加工工藝及表面強(qiáng)化、表面改性處理，具體涉及鎳基高溫合金 表面Ni-納米TiN復(fù)合層電沉積一激光重熔強(qiáng)化工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎳基高溫合金（KGH95，Ni80A、Ni90A等）由于具有良好的熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性和高溫 組織穩(wěn)定性，可在600~1000°C下承受氧化、燃?xì)飧g和復(fù)雜應(yīng)力的作用，因而廣泛應(yīng)用于 國(guó)防、航空航天、汽車、冶金、化工、模具制造等行業(yè)。高速、重載、高溫工況下的摩擦磨損與 腐蝕是鎳基高溫合金零件失效的主要原因之一。國(guó)防、航空航天、汽車、冶金等行業(yè)中各類 機(jī)械裝備通常對(duì)于各種高速、重載、高溫、腐蝕工況下金屬（合金）摩擦副零件的耐磨、耐蝕 性要求比較高，尤其是可加工性差、材料價(jià)格昂貴、制造時(shí)間長(zhǎng)、制造成本高、附加值較高的 鎳基高溫合金零件，如高功率密度柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門和缸套、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、大功率船用 柴油機(jī)曲軸、石化行業(yè)耐蝕離心泵耐磨環(huán)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承圈等均要求其工作面在高速、重 載、高溫、腐蝕等惡劣工況下具有良好的耐磨、耐蝕性和較長(zhǎng)的使用壽命及失效后可行的再 制造（修復(fù)）功能。據(jù)有關(guān)資料介紹，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)修復(fù)所付出的的成本通常是正常 生產(chǎn)制造的10%以下，我國(guó)精密注塑模具由于磨損、機(jī)械損傷而失效，導(dǎo)致每年的經(jīng)濟(jì)損失 達(dá)幾十億元人民幣。因此，對(duì)鎳基高溫合金零件進(jìn)行表面強(qiáng)化以提高使用壽命、對(duì)其磨損部 位進(jìn)行修復(fù)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是制造業(yè)中面臨的重要問(wèn)題。
[0003] 針對(duì)對(duì)鎳基高溫合金零件，常采用電沉積、等離子噴涂、激光熔覆（堆焊）等特種 加工技術(shù)對(duì)金屬零件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。電化學(xué)沉積作為常溫下重要的表面強(qiáng)化和改性技 術(shù)，在不破壞基體材料組織的前提下，能夠在零件表面獲得一層厚度均勻、組織致密且含有 TiN、WC等高硬度納米材料增強(qiáng)相的鎳基合金納米復(fù)合鍍層，從而在一定程度上提高零件表 面的耐磨、耐蝕性。伴隨強(qiáng)沖擊、交變載荷的高溫摩擦工況，除了要求零件表面的復(fù)合鍍層 具有良好的耐摩擦磨損性能外，還要求鍍層與零件基體之間具有高的結(jié)合強(qiáng)度，而單純的 在零件表面制備的鎳基合金納米復(fù)合鍍層無(wú)法從根本上改變鍍層與基體的金屬鍵結(jié)合方 式，鍍層與基體的結(jié)合力往往無(wú)法滿足高結(jié)合強(qiáng)度的使用要求。等離子噴涂技術(shù)由于每次 噴涂的厚度比較薄，所以需要多層噴涂，這就導(dǎo)致了強(qiáng)化層之間存在明顯的層狀結(jié)構(gòu)，層狀 結(jié)構(gòu)之間很容易夾雜空氣，噴涂層與基體之間、不同噴涂層之間呈機(jī)械結(jié)合，導(dǎo)致其結(jié)合強(qiáng) 度不足。激光熔覆（堆焊）表面強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)其高能密度激光束急熱急冷的特性對(duì)金屬材 料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，制備的強(qiáng)化層與基體能形成牢固的冶金結(jié)合，晶粒尺寸會(huì)得到進(jìn)一 步細(xì)化，同時(shí)零件內(nèi)部的韌性沒(méi)有改變，使零件耐沖擊、抗摩擦性能得到大幅度的提升。相 對(duì)于電沉積、等離子噴涂技術(shù)，激光熔覆（堆焊）可使鎳基高溫合金零件表面鍍（涂）層與 基體形成牢固的冶金結(jié)合，在提高強(qiáng)化層與基體結(jié)合強(qiáng)度方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但單 一的激光熔覆（堆焊）工藝以粉體、絲狀材料為主，采用同步送粉（絲）或預(yù)制涂層的方式 送料，存在工藝過(guò)程復(fù)雜，參數(shù)控制難，熔合層微觀缺陷（裂紋、孔洞、夾雜、局部包覆未熔 粉末去除等），應(yīng)力造成的變形，熔覆均勻性難以保證，表面平整度差等問(wèn)題。鑒于此，本發(fā) 明將復(fù)合電沉積技術(shù)與激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，針對(duì)鎳基高溫合金零件，采用電沉積復(fù)合 層方法制備致密均勻的層狀Ni-納米TiN材料，采用與層狀Ni-納米TiN材料相匹配的激 光熔覆工藝對(duì)其進(jìn)行激光重熔處理，形成一種"電沉積一激光重熔強(qiáng)化"新工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種適用于鎳基高溫合金材料零件表面強(qiáng)化與修復(fù)、具有更 高加工效率和加工質(zhì)量的新工藝。
[0005] 本發(fā)明的原理是：采用復(fù)合電化學(xué)沉積方法，在鎳基高溫合金零件表面制備 Ni-納米TiN(梯度功能）復(fù)合層，采用與層狀鎳基合金納米復(fù)合材料相匹配的激光熔合工 藝，對(duì)零件表面電沉積的復(fù)合層進(jìn)行激光重熔處理：
[0006] A、電沉積過(guò)程中，利用高頻脈沖電流的脈間"喘歇作用"和"脈沖壓力波作用"、超 聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械擾動(dòng)效應(yīng)、外加強(qiáng)磁場(chǎng)的磁動(dòng)力學(xué)（MHD)作用，改善鍍液傳質(zhì)過(guò)程、 促進(jìn)基質(zhì)金屬晶的形核、生長(zhǎng)，細(xì)化金屬材料晶粒，提高沉積速率，最終獲得納米TiN粒子 含量不同的均質(zhì)致密、厚度均勻的Ni-納米TiN(梯度功能）復(fù)合層。
[0007] C、激光重熔過(guò)程中，從外部施加物理場(chǎng)（高頻脈沖電流、功率超聲波、強(qiáng)磁場(chǎng)），利 用脈沖電流在熔池中產(chǎn)生的磁致壓縮效應(yīng)、功率超聲波的空化效應(yīng)、外加強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng) 作用，有效抑制晶界擴(kuò)散、改善鎳晶生長(zhǎng)方式減少熔合層內(nèi)部冶金缺陷，有效消除重熔層裂 紋、孔隙、應(yīng)力、變形，提高零件的致密度、降低材料的收縮率。
[0008] B、Ni-納米TiN復(fù)合鍍層經(jīng)過(guò)激光重熔處理，結(jié)合形式由金屬鍵結(jié)合轉(zhuǎn)化為冶金 結(jié)合；Ni-TiN納米復(fù)合鍍層晶粒得到再次細(xì)化，納米TiN粒子得到釋放，更好的起到"彌散 強(qiáng)化"作用；重熔層的表面顯微硬度提高到1180HV0. 5且硬度分布沿厚度方向呈梯度變化， 使鎳基高溫合金零件的耐磨、耐蝕性及抗形變能力得到進(jìn)一步提高。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：鎳基高溫合金表面Ni-納米TiN復(fù)合層電沉積一激光重熔 強(qiáng)化工藝，步驟如下：
[0010] (1)配置鍍液：
[0011] 鍍液為氨基磺酸鎳、氯化鎳、硼酸的水溶液，各組分質(zhì)量百分比如下：
[0012]
[0013] 其中，鍍液的？11值=4.2，溫度丁 = 45°〇。
[0014] 采用上述鍍液配方配制鍍液，然后將配置好的鍍液放在45°C水浴加熱的超聲清洗 槽中進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌速率200rpm、時(shí)間30min。
[0015] (2)制備電極：
[0016] 電沉積過(guò)程中采用的陽(yáng)極為電解鎳板（純度>99. 9% )，陰極采用45#鋼，陽(yáng)極與 陰極面積比為1. 5 :1，兩極間距50mm平行放置。
[0017] (3)復(fù)合電沉積：
[0018] 鎳基高溫合金零件經(jīng)過(guò)常規(guī)除油、機(jī)械拋光處理后放置于帶有水浴加熱、超聲波 發(fā)生器、強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器的鍍槽內(nèi)，電沉積電源采用高頻脈沖電源。工藝條件為：超聲功率 為300W、頻率為28KHz，外加平行磁場(chǎng)強(qiáng)度2T，脈沖電源為矩形波雙向脈沖、峰值電流密度 10~80A/dm2、正負(fù)向脈寬2~10ms、占空比10%~40%、正負(fù)脈沖導(dǎo)通時(shí)間比10 :1，電沉 積時(shí)間90~180min。
[0019] (4)激光重熔過(guò)程：
[0020] 采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固體脈沖激光加工器，激光波長(zhǎng)1064nm，最大輸出 功率700W。純度大于99. 9%的氬氣作為保護(hù)氣，氣流速度5L/min。激光重熔過(guò)程中，采用 負(fù)離焦進(jìn)行激光重熔，離焦量為20mm，電流為120A，脈寬為10~18ms，頻率為10~20Hz， 掃描速率500mm/min。輔助施加的功率超聲波、強(qiáng)磁場(chǎng)及高頻脈沖電流參數(shù)同電沉積過(guò)程。
[0021] 鎳基高溫合金零件表面Ni-納米TiN復(fù)合層電沉積一激光重熔強(qiáng)化工藝，采用復(fù) 合電沉積方法，鎳基高溫合金零件表面電沉積制備組織致密、表面平整、厚度均勻的Ni-納 米TiN復(fù)合鍍層（厚度150 μ m~250 μ m)，采用激光熔覆技術(shù)的基本原理，對(duì)電沉積Ni-納 米TiN復(fù)合層進(jìn)行激光重熔加工，通過(guò)優(yōu)選的激光重熔參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Ni-納米TiN復(fù)合層與 基體結(jié)合形式由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)化為冶金結(jié)合，有效消除重熔層裂紋，獲得了相對(duì)較低的表面 粗糙度值（Ral2. 5 μ m~25 μ m);由于鍍層晶粒再次得到細(xì)化，納米TiN得到釋放，更好的 起到"彌散強(qiáng)化"作用，可獲得較高的表面顯微硬度（1180HV0. 5)且重熔層的硬度分布呈梯 度變化，使工件耐磨性（載荷10N，轉(zhuǎn)速200rpm，時(shí)間20min，失重0. 0002g)、耐蝕性（30°C、 3. 5% NaCl腐蝕液中腐蝕速率I. 4X l(T5kg ·πΓ2 44)及抗形變能力得到進(jìn)一步提高得到提 高。工藝過(guò)程綠色環(huán)保，大大改善了工作環(huán)境。
[0022] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0023] (1)以電沉積制備的組織致密、表面平整、厚度均勻的層狀Ni-納米TiN(梯度功 能）復(fù)合層取代目前金屬零件激光熔覆（堆焊）強(qiáng)化中鋪設(shè)的粉基材料層或同步輸送的金 屬粉料（絲料），無(wú)需專用的同步送粉（絲）或鋪粉裝置，可有效避免目前激光熔覆技術(shù)中 存在的預(yù)置涂層工藝過(guò)程復(fù)雜，參數(shù)控制難，未熔