CN102618866B - 一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法，包括以下步骤：将一定质量比例的基底粉末与C、TiB2、Cu混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末为Ti-Al金属间化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu混合粉末尺寸20～300μm；将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干；用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率650～1500W，扫描速度2～11mm/s，光斑直径2～9mm，氩气保护气压为0.2～0.9MPa。本发明能够获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金表面强化涂层，且工艺简单方便，适用性强、便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法，属于材料表面强化技术领域，特别涉及一种在钛合金表面用Cu改善Ti-Al或Fe-Al金属间化合物基TiB2-C激光熔覆层组织耐磨性及表面形貌的方法。
背景技术
钛合金具有高比强度，高比模量以及优异耐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天等领域。但钛合金表面耐磨性差，限制了其潜能的发挥。激光熔覆技术使被修复工件表面的理化性能得到显著提高，极大地延长了工件的使用寿命。激光熔覆陶瓷颗粒增强复合涂层是提高钛合金表面耐磨和抗高温氧化等性能的有效途径，可使熔覆层与钛合金基体产生冶金结合，形成具有良好强韧性的熔覆层。通过激光熔覆技术可以修复各种失效零件，如航空发动机涡轮叶片等。
TiC陶瓷硬质相具有极高的硬度与耐磨性能。而Ti-Al与Fe-Al金属间化合物同时具有高比强、高比模量、良好耐磨性能、抗蠕变性以及优良的耐疲劳性能。TiC在钛合金表面激光熔覆层产生可显著改善基体表面耐磨性能。在预置涂层中加入适量C，可使TiC强化相在激光熔覆层中产生。在TiC强化激光熔覆层中加入一定量的硼化物可抑制发达TiC枝状晶在熔覆层中的产生，改善激光熔覆层的韧性。激光熔覆过程中，熔池在钛合金基体表面产生，预置涂层中的C可与熔池中的Ti发生化学反应，极易生成过量TiC硬质相，影响激光熔覆层的表面形貌及耐磨性能；而C加入量过少，尽管可以防止过量TiC硬质相产生，却降低了熔覆层硬度与耐磨性能。因此，钛合金表面Ti-Al或Fe-Al金属间化合物基TiB2-C激光熔覆层具有耐磨性能不稳定的缺陷，而本发明可以显著改善激光熔覆层的耐磨性及表面形貌。
现有钛合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Al3Ti，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆在钛合金的表面，而后进行激光熔覆。因Al3Ti中已具有一定含量Ti，以Al3Ti作为熔覆基底粉末的熔池易于生成富Ti熔池。因此，在激光熔覆过程中，Al3Ti易于与通过稀释作用而进入熔池的Ti发生化学反应生成Ti3Al，形成Ti3Al熔覆层，可提升钛合金表面的耐磨性能。Ti3Al是一种以D019超点阵结构的α2相为基的α2+B两相金属间化合物，具有密度低、比强度高、弹性模量高以及优异的抗氧化性和耐腐蚀性能，在新一代的航空航天发动机结构中具有广泛的应用前景。相对于纯钛，Ti3Al金属间化合物具有高弹性模量、良好的耐磨性能、低密度、高抗氧化性以及较好的力学性能等特性。另外，Fe3Al具有良好的耐高温，抗氧化以及耐磨损等性能。在钛合金基体表面激光熔覆Al3Ti，可在基体表面形成Ti3Al金属间化合物层，该熔覆层可显著提升钛合金表面的显微硬度与耐磨性能。金相照片表明，Ti3Al熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生，图1显示了Ti3Al激光熔覆层的组织结构。
采用HV-1000型显微硬度计测试激光熔覆层的硬度，载荷为200g，加载时间为5秒，自试样表层向内每隔0.16mm测定一次硬度值。采用MM200磨损试验机测定合金化层的抗磨性能。选用尺寸为φ40×12的YG6硬质合金磨轮，转速400r/min，载荷为2～8kg。
磨损体积：磨损试验中每隔10分钟测量一次磨痕宽度或磨损失重；磨痕宽度采用体积显微镜测定，经过多点测定后取平均值作为测量结果。利用如下公式近似计算计算磨损体积。
式中：V是磨损体积，单位是mm3；
L1是磨痕长度(即试样宽度)，单位mm；
b是磨痕宽度，单位mm；
r是磨轮半径，单位mm。
图2显示了Ti3Al激光熔覆层的硬度分布，激光熔覆后，Ti3Al激光熔覆层硬度可以达到600～700HV0.2。
Ti3Al激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，该熔覆层的磨损体积为Ti-6Al-4V合金基体的二分之一。图3为Ti3Al激光熔覆层与基体的磨损体积曲线，表1为Ti3Al激光熔覆层磨损试验结果。
表1
发明内容
本发明的增强钛合金表面激光熔覆层的方法，针对钛合金表面Ti-Al或Fe-Al金属间化合物基TiB2-C激光熔覆层表面形貌及耐磨性能不稳定的缺陷，通过Cu的加入来消除熔覆层中裂纹及适度降低脆性相含量，从而改善熔覆层表面形貌及耐磨性能。该项技术可应用于飞机零件制造中以及航空领域部件修复等诸多方面。
本发明具体步骤如下：
(1)将一定质量比例的基底粉末与C、TiB2、Cu混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末为Ti-Al金属间化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu粉末尺寸20～300μm。
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干。
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率650～1500W，扫描速度2～11mm/s，光斑直径2～9mm，氩气保护气压为0.2～0.9MPa。
作为本发明的进一步改进，在混合粉末涂覆之前可以清理钛合金表面，并拭净、吹干。
所述步骤(1)中的水玻璃溶液的模数可以为2.2～3.7。
步骤(2)所述的钛合金可以为Ti-6Al-4V钛合金。
步骤(1)所述的混合粉末中，各成分及其质量分数可以为：C5％-25％，TiB210％-40％，Cu2％-15％，余量为Al3Ti。
步骤(1)所述的混合粉末中，各成分及其质量分数还可以为：C5％-25％，TiB210％-40％，Cu2％-15％，余量为Fe、Al混合粉末，其中Al和Fe的质量比例为1∶1到1∶2之间。
本发明是在氩气作为保护气条件下，试样表面发生激光熔覆。在激光熔覆过程中，试样保持原有的运动速度不变。试样表面完全激光熔覆发生后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。后关闭保护气的原因是为了使保护气对试样表面进行充分的保护。
本发明的有益效果是，能够获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金表面强化涂层。本发明有工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。
附图说明
图1是Ti3Al激光熔覆层的组织结构；
clad zone：熔覆层；interface：界面；crystal grain：晶界。
图2是Ti3Al激光熔覆层的硬度分布；
macro-hardness：显微硬度；distance from the surface：距表面的距离。
图3是Ti3Al激光熔覆层与基体的磨损体积曲线；
wear volume losses：磨损失重；time：时间。
图4是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的X射线衍射图；
relative intensity：相对强度；counts：计数；degree：度。
图5是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的SEM形貌；SDU：山东大学；SE(M)扫描电子显微镜。
图6是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的硬度分布；macro-hardness：显微硬度；distance from the surface：距表面的距离。
图7是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线；
wear volume losses：磨损失重；time：时间。
图8是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的X射线衍射图；
relative intensity：相对强度；counts：计数；degree：度。
图9是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的SEM形貌；
SDU：山东大学；SE(M)扫描电子显微镜。
图10是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层硬度分布；
macro-hardness：显微硬度；distance from the surface：距表面的距离。
图11是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线；
wear volume losses：磨损失重；distance from the surface：距表面的距离。
图12是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层SEM形貌；
SDU：山东大学；SE(M)扫描电子显微镜。
图13是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层硬度分布；
macro-hardness：显微硬度；distance from the surface：距表面的距离。
图14是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线；
wear volume losses：磨损失重；time：时间。
图15是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的SEM形貌；
SDU：山东大学；SE(M)扫描电子显微镜。
图16是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的硬度分布；
macro-hardness：显微硬度；distance from the surface：距表面的距离。
图17是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层与基体的磨损体积曲线；
wear volume losses：磨损失重；time：时间。
具体实施方式
实施例1：
将Ti-6Al-4V合金切成长度30mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后，将质量分数为70％的Al3Ti、质量分数为10％的C、质量分数为15％的TiB2、质量分数为5％Cu的混合粉末激光熔覆在其30mm×10mm面上。
具体工艺步骤如下：
(1)分别称取Al3Ti合金粉末0.70g、C粉0.10g、TiB2粉0.15g、Cu粉0.05g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu粉末尺寸20～300μm。
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干。
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率900W，扫描速度5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为0.4MPa。
图4是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的X射线衍射图，根据衍射图的结果可知，该激光熔覆层主要包含Ti3Al，TiAl，TiB2，TiB，TiC，Ti3Cu，TiCu2Al及Al3V等相。此结果表明，激光熔覆过程中，基体钛合金对熔覆层产生稀释作用，Al3Ti与通过稀释作用从基体进入熔池的Ti发生化学反应，生成Ti3Al或TiAl。水玻璃的组成成分主要为Na2O·nSiO2。在激光熔覆过程中，Si从水玻璃中释放出来，与熔覆层中的Ti3Al反应形成Ti3Al-Si共晶组织。图5是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的SEM形貌，图中显示激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。
图6是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层的硬度分布，激光熔覆后，该激光熔覆层在硬质相与细晶强化作用下，试样表面硬度可达1500～1600HV0.2，较钛合金基体提升3～4倍。Cu的加入使CuTi3与TiCu2Al产生，有利于熔覆层硬度的提升。
因该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，该熔覆层的磨损体积为Ti-6Al-4V合金基体的三分之一。图7是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线，表2是质量分数为70％Al3Ti、10％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层与钛合金基体磨损试验结果。
表2
实施例2：
将Ti-6Al-4V合金切成长度30mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后，将质量分数为65％Al3Ti、质量分数为10％C、质量分数为15％TiB2、质量分数为10％Cu混合粉末激光熔覆在其30mm×10mm面上。
具体工艺步骤如下：
(1)分别称取Al3Ti合金粉末0.65g、C粉0.10g、TiB2粉0.15g、Cu粉0.10g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu粉末尺寸20～300μm。
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干。
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率900W，扫描速度5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为0.4MPa。
图8是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的X射线衍射图，根据激光熔覆层的XRD结果可知，该激光熔覆层主要包含Ti3Al，TiAl，TiB2，TiB，TiC，Ti3Cu，TiCu2Al及Al3V等相。
图9是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的SEM形貌，SEM图片表明，该激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。碳硼化物析出相呈块状及棒状。TiCu2Al多晶体呈颗粒状，且主要沿着(200)，(220)，(311)，(400)以及(422)平面生长。
激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层的硬度有提高。Cu加入后，TiB2在熔池中充分熔化，有利于细化熔覆层的组织结构，从而提升其硬度与耐磨性能。图10是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层硬度分布，熔覆层硬度可以达到1650～1800HV0.2，较钛合金基体提升4～5倍。
该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，熔覆层的磨损体积为Ti-6Al-4V合金基体的四分之一。图11是质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线，表3为质量分数为65％Al3Ti、10％C、15％TiB2、10％Cu涂层磨损试验结果。
表3
实施例3：
将Ti-6Al-4V钛合金切成长度30mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后，将质量分数为65％的Fe、Al混合粉末、质量分数为15％的C、质量分数为15％的TiB2、质量分数为5％的Cu的混合粉末激光熔覆在其30mm×10mm面上，其中Al和Fe的质量比例为1∶1到1∶2之间。
具体工艺步骤如下：
(1)分别称取Fe、Al混合粉末0.65g、C粉0.15g、TiB2粉0.15g、Cu粉0.05g，其中Al和Fe的质量比例为1∶1到1∶2之间。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu混合粉末尺寸20～300μm。
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干。
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率900W，扫描速度5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为0.4MPa。
该激光熔覆层主要包含Ti3Al，FeAl，TiB2，TiB，TiC，Ti3Cu，TiCu2Al，Al3V等相。图12是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层SEM形貌，SEM图片表明，该激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。块状析出相弥散分布在激光熔覆层中。而棒状钛硼化物不太明显，没有长大。
激光熔覆后，在该激光熔覆层中硬质相与细晶强化作用下，熔覆层硬度可以达到1450～1550HV0.2，约为Ti-6Al-4V合金基体的4～5倍，图13是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层硬度分布。
该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，激光熔覆层磨损体积约为Ti-6Al-4V合金的3～4倍。图14是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu激光熔覆层与钛合金基体的磨损体积曲线，表4是质量分数为65％Fe和Al、15％C、15％TiB2、5％Cu涂层磨损试验结果。
表4
实施例4：
将Ti-6Al-4V钛合金切成长度30mm、宽度10mm、厚度10mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，可以进行清理钛合金表面，并拭净、吹干的步骤。而后，将质量分数为60％的Fe、Al混合粉末，质量分数为15％的C，质量分数为15％的TiB2，质量分数为10％的Cu的混合粉末激光熔覆在其30mm×10mm面上，其中Al和Fe的质量比例为1∶1到1∶2之间。
具体工艺步骤如下：
(1)分别称取Fe、Al混合粉末0.6g、C粉0.15g、TiB2粉0.15g、Cu粉0.05g，其中Al和Fe的质量比例为1∶1到1∶2之间。将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu混合粉末尺寸20～300μm。
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干。
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率900W，扫描速度2.5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为0.4MPa。
图15是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的SEM 形貌；SEM图片表明，该激光熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生。随着Cu含量的增加，硼化物围绕在TiC块状析出物的周围。
图16是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层的硬度分布，激光熔覆后，在该激光熔覆层相组成与细晶强化作用下，熔覆层硬度可以达到1450～1550HV0.2。FeAl，CuTi3与TiCu2Al的产生以及共晶合金系在Al3Ti-C-TiB2-5Cu熔覆层的生长也有都有利于熔覆层硬度的提升。
该激光熔覆层具有较高的硬度与较好的力学性能及组织结构，该熔覆层的磨损体积为Ti-6Al-4V合金基体的六分之一。图17是质量分数为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu激光熔覆层与基体的磨损体积曲线，表5为60％Fe和Al、15％C、15％TiB2、10％Cu涂层磨损试验结果。
表5
Claims (4)
1.一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法，包括以下步骤：
（1）将一定质量比例的基底粉末与C、TiB2、Cu混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末为Ti-Al金属间化合物或Fe、Al混合粉末，基底粉末的尺寸20～300μm，C、TiB2、Cu混合粉末尺寸20～300μm；
（2）将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.3～2mm，自然风干；
（3）用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率650～1500W，扫描速度2～11mm/s，光斑直径2～9mm，氩气保护气压为0.2～0.9MPa；
步骤（1）所述的混合粉末中，各成分及其质量分数为：C5%-25%，TiB210%-40%，Cu2%-15%，余量为Al3Ti；或者C5%-25%，TiB210%-40%，Cu2%-15%，余量为Fe、Al混合粉末，其中Al和Fe的质量比例为1:1到1:2之间。
2.根据权利要求1所述的增强钛合金表面激光熔覆层的方法，其特征是，在混合粉末涂覆之前清理钛合金表面，并拭净、吹干。
3.根据权利要求1所述的增强钛合金表面激光熔覆层的方法，其特征是，所述步骤（1）中水玻璃溶液的模数为2.2～3.7。
4.根据权利要求1所述的增强钛合金表面激光熔覆层的方法，其特征是，步骤（1）所述的钛合金为Ti-6Al-4V钛合金。
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