CN105386033A - 一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法，解决被处理表面成型差、裂纹敏感性大、表面层薄、表层易脱落及难以形成梯度结构等问题。首先TiB₂粉末和Ti粉末混合均匀并预置在Ti-6Al-4V表面；接下来把试样预热到300～350℃，并保持温度稳定；最后采用光纤激光器在Ti-6Al-4V合金表面制备复合涂层。该复合涂层厚度达到1.5毫米以上，组织致密，无气孔和裂纹，与Ti6Al-4V合金呈良好的冶金结合；复合涂层从表至内表现为颗粒数量逐渐减少，而短纤维数量逐渐增多，并且短纤维的长径比可达到10倍以上。本发明通过改善材料表面层的结构分布来提高材料整体的综合性能，从而提高材料的使用寿命。

Description

一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法

技术领域

本发明涉及在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维结构的表面处理技术，特别提供了在Ti-6Al-4V表面产生较厚涂层与较平整宏观形貌的制备方法，并使涂层由表及里TiB₂颗粒数量逐渐减少，而TiB短纤维数量逐渐增多。

背景技术

目前，在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法主要有：

①等离子喷涂

等离子喷涂是利用等离子火焰来熔化或软化喷涂粉末，并依靠等离子弧焰的自身动力及外加的压缩气流来推动熔粒成喷射的粒束，然后以一定的速度喷射到Ti-6Al-4V表面形成涂层。优点：可以使被加工工件的表面形成梯度结构涂层。缺点：表面粗糙大、与基材结合力差、涂层易开裂。

②化学气相沉积

化学气相沉积法是通过气相反应(热分解、还原、置换或化合等)在Ti-6Al-4V合金表面沉积出所要求的化合物。优点：可以精确控制相组成，获得致密的复合涂层。缺点：沉积层的厚度较薄，通常只在100μm以下。

③电火花沉积

电火花沉积是利用旋转电极与Ti-6Al-4V合金间形成的脉冲微弧以及瞬时高能量脉冲放电产生等离子态的高温、高压区，使电极材料熔化过渡到微熔的基体表面熔池中形成合金化强化层的一种表面处理技术。优点：通过多次反复沉积，可以获得较厚的梯度结构涂层。缺点：操作复杂，对工艺要求较高，一次沉积不能太厚，导致不利于大面积推广应用。

④激光表面处理

激光表面处理是指采用激光对Ti-6Al-4V表面进行辐照使之熔化并同时将合金化元素或强化颗粒等添加至熔池中形成具有一定厚度的强化层的表面处理方法。优点：可形成较厚的涂层，并得到梯度结构涂层，同时与基材界面结合强度高。缺点：被处理表面成型质量差，涂层裂纹敏感性高。

上述几种制备技术中，激光技术是较易获得表面层厚，组织致密，且与基材呈良好冶金结合的优势。这与激光的高能量密度与快速熔化、冷却特性直接相关。由于激光直接辐照材料表面，在热传递的作用下，材料熔化方向是沿内层逐渐推移，又由于基材的激冷作用，使得凝固方向是先从底层向外层推移。根据这种特性，通过合理的成分设计与工艺匹配可制备出强化相梯度分布的复合涂层。然而，当材料成分确定之后，合理工艺参数的确定无疑将成为主要制约因素。一方面，激光能量密度过低，会导致无法形成较厚的复合涂层，并且会降低原位反应的进行，容易使涂层内部残存较多缺陷，如气孔和裂纹；另一方面，激光能量密度过大，会导致大量基材被熔化，且熔池寿命延长，熔池流动剧烈，容易形成强化相较均匀的分布。因此，如何通过材料成分设计与工艺匹配制备出梯度结构复合涂层成为需要解决的关键问题。

TiB₂陶瓷具有高硬度、高弹性模量和高化学稳定性等优点，使得TiB₂涂层具有非常优异的抗粘着磨损性能。然而，TiB₂陶瓷的韧性较差，使得TiB₂涂层抗疲劳性能容易恶化，成为TiB₂涂层走向工业应用的“短板”。而TiB短纤维由于长径比大，使得TiB内部结构含有的缺陷较低，有利于断裂韧性的提高。近年来，大量学者研究表明，形成的涂层表现出表层硬、内部软的特征将更有利于耐磨性能的提高。然而，由于TiB₂陶瓷的高熔点(3253℃)和高熔化焓(83.97kJ/mol),导致采用激光技术制备复合涂层，容易形成表面呈明显凹陷的复合涂层。

发明内容

本发明目的在于提供一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法，解决现有技术中存在的被处理表面成型差、裂纹敏感性大、表面层薄、表层易脱落及难以形成梯度结构等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；然后将TiB₂和Ti粉末按质量比为3:2进行机械混合，并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，膏状物预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，2123酚醛树脂的加入量是TiB₂和Ti粉末质量的2％～3％；预置层厚度为0.5～0.6mm，然后置于干燥箱烘干15～20h备用，烘干温度为100～150℃。

在激光加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金预热到300～350℃,并保持温度稳定；最后采用光纤激光器对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工。

为了获得超过1.5mm以上厚度与明显梯度结构的复合涂层，需选择恰当的工艺参数才能获得符合要求的涂层。鉴于此，本发明所述的激光工艺参数为：激光功率2.4～2.6kW、扫描速度5.5～6.5mm/s；光斑直径5×5mm；氩气流量为10～15L/min。

进一步，步骤(2)TiB₂和Ti粉末的粒径都为3～5μm。

采用上述方案后，本发明取得的有益效果是：复合涂层的宏观形貌较平整；涂层厚度超过1.5mm，涂层组织致密，无气孔和裂纹，并且结合界面呈良好的冶金结合。同时，复合涂层从表至里TiB₂颗粒数量逐渐减少，而TiB短纤维数量逐渐增多。

附图说明

图1：实施例1后复合涂层横截面宏观形貌。

图2：实施例1后复合涂层从表至里显微组织，其中a是复合涂层表层，b是复合涂层中部，c是复合涂层底部。

图3：实施例1后复合涂层从表及里显微硬度。

图4：实施例1后复合涂层在200N载荷、480转/分干滑动磨损条件下磨损量

具体实施方式

本发明将就以下实施例作进一步说明。TiB₂和Ti粉末的粒径都为3～5μm。

实施例1：

对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；然后将TiB₂和Ti粉末按质量比为3:2进行机械混合，并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，酚醛树脂是TiB₂和Ti总质量的2％；接下来涂膏预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，预置层厚度为0.5mm，然后置于干燥箱烘干15h备用，烘干温度为150℃。

在激光加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金预热到300℃,并保持温度稳定；最后采用IPG光纤激光器对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工。激光工艺参数为：激光功率2.4kW、扫描速度5.5mm/s；光斑直径5×5mm,；氩气流量为15L/min。

实施例2：

对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；然后将TiB₂和Ti粉末按质量比为3:2进行机械混合，并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，酚醛树脂是TiB₂和Ti总质量的3％；接下来涂膏预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，预置层厚度为0.6mm，然后置于干燥箱烘干20h备用，烘干温度为100℃。

在激光加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金预热到350℃,并保持温度稳定；最后采用IPG光纤激光器对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工。激光工艺参数为：激光功率2.6kW、扫描速度6.5mm/s；光斑直径5×5mm,；氩气流量为10L/min。

实施例3：

对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；然后将TiB₂和Ti粉末按质量比为3:2进行机械混合，并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，酚醛树脂是TiB₂和Ti总质量的2.5％；接下来涂膏预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，预置层厚度为0.55mm，然后置于干燥箱烘干28h备用，烘干温度为125℃。

在激光加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金预热到325℃,并保持温度稳定；最后采用IPG光纤激光器对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工。激光工艺参数为：激光功率2.5kW、扫描速度6mm/s；光斑直径5×5mm,；氩气流量为13L/min。

表1：实施例1后复合涂层在30kg压痕载荷作用下压痕裂纹长度

Claims (2)

1.一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；

(2)将TiB₂和Ti粉末按照配比进行机械混合，TiB₂和Ti粉末质量比例为3:2；并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，酚醛树脂是TiB₂和Ti总质量的2％～3％；膏状物预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，预置层厚度为0.5～0.6mm，然后置于干燥箱烘干15～20h备用，烘干温度为100～150℃；

(3)在加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金进行预热到300～350℃,并保持温度稳定；

(4)采用热源对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工；热源为光纤维激光器，工艺参数为：激光功率为2.4～2.6kW，扫描速度为5.5～6.5mm/s；光斑直径为5×5mm,氩气流量为10～15L/min。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)TiB₂和Ti粉末的粒径都为3～5μm。