CN104928729A - 镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺，其步骤为：(1)、配置镀液；镀液组分为氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸的水溶液等。(2)、制备电极；阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm平行放置。(3)、复合电沉积；电源采用双向高频脉冲电源。(4)、激光重熔；采用固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。本发明把电沉积Ni-纳米TiN复合层技术与激光熔覆技术有机结合起来，是一种物理、电化学复合加工新工艺，具有加工效率和质量高，应用面较宽的优点。可满足镍基合金零件在高速、高温、高冲击载荷、腐蚀工况下的使用要求。

Description

镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺

技术领域

本发明涉及非传统加工工艺及表面强化、表面改性处理，具体涉及镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺。

背景技术

镍基高温合金(KGH95，Ni80A、Ni90A等)由于具有良好的热稳定性、热强性和高温组织稳定性，可在600～1000℃下承受氧化、燃气腐蚀和复杂应力的作用，因而广泛应用于国防、航空航天、汽车、冶金、化工、模具制造等行业。高速、重载、高温工况下的摩擦磨损与腐蚀是镍基高温合金零件失效的主要原因之一。国防、航空航天、汽车、冶金等行业中各类机械装备通常对于各种高速、重载、高温、腐蚀工况下金属(合金)摩擦副零件的耐磨、耐蚀性要求比较高，尤其是可加工性差、材料价格昂贵、制造时间长、制造成本高、附加值较高的镍基高温合金零件，如高功率密度柴油发动机气门和缸套、飞机发动机涡轮盘、大功率船用柴油机曲轴、石化行业耐蚀离心泵耐磨环、风力发电机轴承圈等均要求其工作面在高速、重载、高温、腐蚀等恶劣工况下具有良好的耐磨、耐蚀性和较长的使用寿命及失效后可行的再制造(修复)功能。据有关资料介绍，航空发动机涡轮盘修复所付出的的成本通常是正常生产制造的10％以下，我国精密注塑模具由于磨损、机械损伤而失效，导致每年的经济损失达几十亿元人民币。因此，对镍基高温合金零件进行表面强化以提高使用寿命、对其磨损部位进行修复，长期以来一直是制造业中面临的重要问题。

针对对镍基高温合金零件，常采用电沉积、等离子喷涂、激光熔覆(堆焊)等特种加工技术对金属零件进行表面强化处理。电化学沉积作为常温下重要的表面强化和改性技术，在不破坏基体材料组织的前提下，能够在零件表面获得一层厚度均匀、组织致密且含有TiN、WC等高硬度纳米材料增强相的镍基合金纳米复合镀层，从而在一定程度上提高零件表面的耐磨、耐蚀性。伴随强冲击、交变载荷的高温摩擦工况，除了要求零件表面的复合镀层具有良好的耐摩擦磨损性能外，还要求镀层与零件基体之间具有高的结合强度，而单纯的在零件表面制备的镍基合金纳米复合镀层无法从根本上改变镀层与基体的金属键结合方式，镀层与基体的结合力往往无法满足高结合强度的使用要求。等离子喷涂技术由于每次喷涂的厚度比较薄，所以需要多层喷涂，这就导致了强化层之间存在明显的层状结构，层状结构之间很容易夹杂空气，喷涂层与基体之间、不同喷涂层之间呈机械结合，导致其结合强度不足。激光熔覆(堆焊)表面强化技术通过其高能密度激光束急热急冷的特性对金属材料表面进行强化处理，制备的强化层与基体能形成牢固的冶金结合，晶粒尺寸会得到进一步细化，同时零件内部的韧性没有改变，使零件耐冲击、抗摩擦性能得到大幅度的提升。相对于电沉积、等离子喷涂技术，激光熔覆(堆焊)可使镍基高温合金零件表面镀(涂)层与基体形成牢固的冶金结合，在提高强化层与基体结合强度方面具有不可比拟的优势。但单一的激光熔覆(堆焊)工艺以粉体、丝状材料为主，采用同步送粉(丝)或预制涂层的方式送料，存在工艺过程复杂，参数控制难，熔合层微观缺陷(裂纹、孔洞、夹杂、局部包覆未熔粉末去除等)，应力造成的变形，熔覆均匀性难以保证，表面平整度差等问题。鉴于此，本发明将复合电沉积技术与激光熔覆技术有机结合，针对镍基高温合金零件，采用电沉积复合层方法制备致密均匀的层状Ni-纳米TiN材料，采用与层状Ni-纳米TiN材料相匹配的激光熔覆工艺对其进行激光重熔处理，形成一种“电沉积—激光重熔强化”新工艺。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于镍基高温合金材料零件表面强化与修复、具有更高加工效率和加工质量的新工艺。

本发明的原理是：采用复合电化学沉积方法，在镍基高温合金零件表面制备Ni-纳米TiN(梯度功能)复合层，采用与层状镍基合金纳米复合材料相匹配的激光熔合工艺，对零件表面电沉积的复合层进行激光重熔处理：

A、电沉积过程中，利用高频脉冲电流的脉间“喘歇作用”和“脉冲压力波作用”、超声波的空化效应和机械扰动效应、外加强磁场的磁动力学(MHD)作用，改善镀液传质过程、促进基质金属晶的形核、生长，细化金属材料晶粒，提高沉积速率，最终获得纳米TiN粒子含量不同的均质致密、厚度均匀的Ni-纳米TiN(梯度功能)复合层。

C、激光重熔过程中，从外部施加物理场(高频脉冲电流、功率超声波、强磁场)，利用脉冲电流在熔池中产生的磁致压缩效应、功率超声波的空化效应、外加强磁场的磁感应作用，有效抑制晶界扩散、改善镍晶生长方式减少熔合层内部冶金缺陷，有效消除重熔层裂纹、孔隙、应力、变形，提高零件的致密度、降低材料的收缩率。

B、Ni-纳米TiN复合镀层经过激光重熔处理，结合形式由金属键结合转化为冶金结合；Ni-TiN纳米复合镀层晶粒得到再次细化，纳米TiN粒子得到释放，更好的起到“弥散强化”作用；重熔层的表面显微硬度提高到1180HV0.5且硬度分布沿厚度方向呈梯度变化，使镍基高温合金零件的耐磨、耐蚀性及抗形变能力得到进一步提高。

本发明的技术方案是：镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺，步骤如下：

(1)配置镀液：

镀液为氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸的水溶液，各组分质量百分比如下：

其中，镀液的pH值＝4.2，温度T＝45℃。

采用上述镀液配方配制镀液，然后将配置好的镀液放在45℃水浴加热的超声清洗槽中进行机械搅拌，搅拌速率200rpm、时间30min。

(2)制备电极：

电沉积过程中采用的阳极为电解镍板(纯度>99.9％)，阴极采用45#钢，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距50mm平行放置。

(3)复合电沉积：

镍基高温合金零件经过常规除油、机械抛光处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，电沉积电源采用高频脉冲电源。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，脉冲电源为矩形波双向脉冲、峰值电流密度10～80A/dm²、正负向脉宽2～10ms、占空比10％～40％、正负脉冲导通时间比10：1，电沉积时间90～180min。

(4)激光重熔过程：

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为20mm，电流为120A，脉宽为10～18ms，频率为10～20Hz，扫描速率500mm/min。辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。

镍基高温合金零件表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺，采用复合电沉积方法，镍基高温合金零件表面电沉积制备组织致密、表面平整、厚度均匀的Ni-纳米TiN复合镀层(厚度150μm～250μm)，采用激光熔覆技术的基本原理，对电沉积Ni-纳米TiN复合层进行激光重熔加工，通过优选的激光重熔参数，实现Ni-纳米TiN复合层与基体结合形式由机械结合转化为冶金结合，有效消除重熔层裂纹，获得了相对较低的表面粗糙度值(Ra12.5μm～25μm)；由于镀层晶粒再次得到细化，纳米TiN得到释放，更好的起到“弥散强化”作用，可获得较高的表面显微硬度(1180HV0.5)且重熔层的硬度分布呈梯度变化，使工件耐磨性(载荷10N，转速200rpm，时间20min，失重0.0002g)、耐蚀性(30℃、3.5％NaCl腐蚀液中腐蚀速率1.4×10^-5kg·m^-2·h^-1)及抗形变能力得到进一步提高得到提高。工艺过程绿色环保，大大改善了工作环境。

本发明的有益效果如下：

(1)以电沉积制备的组织致密、表面平整、厚度均匀的层状Ni-纳米TiN(梯度功能)复合层取代目前金属零件激光熔覆(堆焊)强化中铺设的粉基材料层或同步输送的金属粉料(丝料)，无需专用的同步送粉(丝)或铺粉装置，可有效避免目前激光熔覆技术中存在的预置涂层工艺过程复杂，参数控制难，未熔粉夹杂，熔覆层的致密度低，材料存在一定的收缩率，易出现裂纹、热应力变形等问题。

(2)采用与熔覆层状Ni-纳米TiN(梯度功能)材料相匹配的激光参数进行金属零件表面激光重熔强化与修复，熔池快速冷却凝固并且与基体形成良好的冶金结合，同时在激光急热急冷的作用下，重熔层内部的晶粒得到再次细化，加上熔合的纳米TiN粒子弥散强化和固溶强化作用，大大加强了熔合层的耐摩擦、耐高温、耐腐蚀等系列特性。

(3)合理利用外加物理场(高频脉冲电流、功率超声波、强磁场)减少熔合层内部冶金缺陷，获得与基体金属结合牢固、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长的表面强化层，可满足零件在高速、高温、高载荷、腐蚀工况下的使用要求。

(4)把电沉积Ni-纳米TiN复合层技术与激光熔覆技术有机结合起来，发明了一种物理、电化学复合加工新工艺。该工艺具有加工效率和加工质量高，应用面较宽的技术特点。可为其它金属零件的高效、高质、高精表面强化与再制造提供技术支持。

具体实施方式

实施例1

加工要求：在Ni80A零件(大功率柴油发动机气门)环锥型工作面制备Ni-纳米TiN强化层，强化层厚度150μm，表面显微硬度达到1100HV0.5，精密磨削加工后表面粗糙度值达到Ra0.8μm。

加工方法步骤如下：

1)复合电沉积

(1)按照如下配方配置镀液：氨基磺酸镍(350g/L)、氯化镍(50g/L)、、硼酸(30g/L)、纳米TiN(粒径20～30nm，纯度>99.9％，8g/L)、十二烷基硫酸钠(0.3g/L)，镀液的pH值＝4.2，温度T＝45℃。将配置好的镀液放在45℃水浴加热的超声清洗槽中进行机械搅拌，搅拌速率200rpm、时间30min。

(2)电沉积过程中采用的阳极为电解镍板(纯度>99.9％)，阴极为工件，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距50mm。

(3)Ni80A气门零件经过常规除油、机械抛光处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，脉冲电源为矩形波双向脉冲、峰值电流密度40A/dm²、正负向脉宽8ms、占空比20％、正负脉冲导通时间比10：1，电沉积时间120min。镀层厚度180μm。

2)激光重熔过程

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔、离焦量为20mm，电流为120A，脉宽为16ms，频率为12Hz，扫描速率500mm/min。辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。重熔后的表面显微硬度达到1160HV0.5，表面粗糙度值Ra12.5μm。

3)精密磨削加工

在精密外圆磨床上对激光重熔强化层进行磨削加工，去除单边加工余量30μm后，强化层表面显微硬度达到1110HV0.5，表面粗糙度值达到Ra0.8μm，符合加工要求。

实施例2

加工要求：在KGH95零件(大排量耐蚀离心泵用耐磨环)工作面制备Ni-纳米TiN强化层，强化层厚度170μm，表面显微硬度达到1000HV0.5，表面粗糙度值达到Ra0.4μm。

加工方法步骤如下：

1)复合电沉积

(1)按照如下配方配置镀液：氨基磺酸镍(350g/L)、氯化镍(50g/L)、、硼酸(30g/L)、纳米TiN(粒径20～30nm，纯度>99.9％，8g/L)、十二烷基硫酸钠(0.3g/L)，镀液的pH值＝4.2，温度T＝45℃。将配置好的镀液放在45℃水浴加热的超声清洗槽中进行机械搅拌，搅拌速率200rpm、时间30min。

(2)电沉积过程中采用的阳极为电解镍板(纯度>99.9％)，阴极为工件，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距50mm。

(3)KGH95零件经过常规除油、机械抛光处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，脉冲电源为矩形波双向脉冲、峰值电流密度60A/dm²、正负向脉宽4ms、占空比30％、正负脉冲导通时间比10：1，电沉积时间180min。镀层厚度200μm。

2)激光重熔过程

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔、离焦量为20mm，电流为120A，脉宽为12ms，频率为18Hz，扫描速率500mm/min；辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。重熔后的表面显微硬度达到1060HV0.5，表面粗糙度值Ra12.5μm。

3)电解磨削加工

在电解磨削机床上对激光重熔强化层进行电解磨削加工，去除单边加工余量30μm后，强化层表面显微硬度达到1010HV0.5，表面粗糙度值达到Ra0.4μm，符合加工要求。

Claims (1)

1.镍基高温合金表面Ni-纳米TiN复合层电沉积—激光重熔强化工艺，其特征在于，该工艺步骤如下：

(1)配置镀液：镀液为氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸的水溶液，各组分质量百分比如下：

其中，镀液的pH值＝4.2，温度T＝45℃，纳米TiN的粒径为20～30nm，纯度>99.9％，采用上述镀液配方配制镀液，然后将配置好的镀液放在45℃水浴加热的超声清洗槽中进行机械搅拌，搅拌速率200rpm、时间30min；

(2)制备电极：

电沉积过程中采用的阳极为电解镍板，其纯度>99.9％，阴极采用45#钢，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距50mm平行放置；

(3)复合电沉积：

镍基高温合金零件经过常规除油、机械抛光处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，脉冲电源为矩形波双向脉冲、峰值电流密度10～80A /dm²、正负向脉宽2～10ms、占空比10％～40％，正负脉冲导通时间比10：1，电沉积时间90～180min；

(4)激光重熔过程：

采用固体脉冲激光加工器，激光波长1064nm，最大输出功率700W，纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min，激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为20mm，电流为120A，脉宽为10～18ms，频率为10～20Hz，扫描速率500mm/min，辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。