CN110724953A - 一种激光制备ta2钛合金非晶增强防护层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔化沉积制备TA2钛合金非晶增强防护层的方法。采用同轴送粉法在氩气环境中将一定质量比例Stellite156‑B4C‑Zn混合粉末激光熔化沉积于TA2钛合金表面，形成激光熔化沉积涂层；后将La2O3粉末激光重熔于该沉积层表面，形成激光重熔层。结果表明，La2O3可有效抑制粗大枝晶形成，促进非晶相在激光重熔层中产生。高温氧化试验结果表明，Stellite156‑B4C‑Zn‑La2O3激光重熔层的耐高温氧化性能明显优于Stellite156‑B4C‑Zn激光熔化沉积层与TA2基材。本发明可在TA2钛合金表面获得组织结构致密且具有强耐高温氧化性能的非晶增强激光重熔层。关键词：激光重熔；耐高温氧化性；钴基合金。

Description

一种激光制备TA2钛合金非晶增强防护层的方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔化沉积制备TA2钛合金非晶增强防护层的方法，属于材料表面强化技术领域，特别涉及采用一种激光重熔La2O3增强激光熔化沉积Stellite156-B4C-Zn复合材料的方法。
背景技术
机械零件失效通常是先从表面开始的，表面失效可导致巨大的经济损失和资源浪费。在零件表面采用激光熔化沉积技术制备防护层可有效达到表面防护效果，但所制备沉积层内部仍存在较多缺陷，往往无法满足实际生产需要，对沉积层进行激光重熔处理可明显改善其组织性能。激光重熔是一种先进的表面改性技术，可有效消除激光熔化沉积层中的孔隙和裂纹等缺陷，增加晶界数量并获得细晶组织结构，增强沉积层与基材之间的结合强度，获得具有优异组织性能的激光重熔层。Stellite156合金由于其高温强度、良好的抗热腐蚀性及抗氧化能力，已广泛应用于航空航天零部件制备及修复；B4C陶瓷具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，有极强的耐磨性。Zn可在Co基激光熔池中催生纳米晶形成，增强所制备激光熔化沉积材料的力学性能；适量La2O3添加可有效提升液态金属流动性，减少缺陷形成倾向，适用于制备组织结构均匀致密的激光熔化沉积层。
发明内容
基于上述科学原理，本发明提出一种能够制备具有优异性能激光重熔复合层的方法，选用TA2钛合金基材进行激光熔化沉积及激光重熔处理。将一定质量比例Stellite156-B4C-Zn混合粉末采用同轴送粉工艺激光熔化沉积于TA2钛合金表面。SEM图表明，Stellite156-B4C-Zn激光熔化沉积层含有大量棒状TiB及块状TiB2陶瓷析出物（见图1a，b）；图1c表明， Stellite156-B4C-Zn激光熔化沉积层中包含许多细小颗粒，与细长枝晶一起弥散分布于网状奥氏体基底，利于细化沉积层组织，该沉积层与基材呈较好冶金结合。
如图2a所示，Stellite156-B4C-Zn-La2O3激光重熔层经腐蚀后组织结构较为不清晰，这主要归因于之前形成激光熔化沉积层在激光重熔La2O3作用下产生大量非晶相；La2O3可有效抑制粗大枝晶形成，利于组织结构细化（见图2b）；该区域对应高分辨透射电镜（HRTEM）证实，大量非晶及纳米晶相产生于激光重熔层中，可有效提升基材表面性能（见图2c）。
图3表明，Stellite156-B4C-Zn-La2O3激光重熔层的高温氧化增重远比Stellite156-B4C-Zn激光熔化沉积层的低。
研究表明，在TA2钛合金Stellite156-B4C-Zn激光熔化沉积层表面激光重熔La2O3可制备非晶相增强防护层，从而改善钛合金表面性能，具体步骤：
1）在激光熔化沉积之前将钛合金表面用120号砂纸打磨平整，后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗，酸洗时间5～10 min；再用清水冲洗，后用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
2） 将一定质量比例Stellite156-B4C-Zn混合粉末激光熔化沉积于钛合金表面，形成熔化沉积层，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率 5～10 mm/s，送粉速率27 g/min，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%；
3）后将适量La2O3粉末激光重熔于之前已制备的沉积层表面，形成激光重熔层，重熔工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速率 5～10 mm/s，送粉速率10 g/min，光斑直径4.5mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%；
其中，步骤1）所述钛合金为TA2牌号，成分（wt%）：0.30Fe, 0.08C, 0.03N, 0.015H ,0.25º，余量Ti；
步骤2）所述Stellite156粉末尺寸50～200 μm；B4C粉末尺寸50～150 μm；Zn粉末尺寸50～150 μm；La2O3粉末尺寸1～100 μm；混合粉末成分（wt%）：3Zn，10B4C，余量Stellite156；Stellite156成分（wt%）：2.40C，30.50Cr，1.00Si，12.50W，3.00Fe，1.00Mo，3.00Ni，0.25Mn，余量Co。
本发明是氩气环境中在钛合金试样表面进行激光处理，该过程中，激光束扫描速度保持不变。钛合金表面完全熔化沉积后关闭激光，等待2～3秒钟关闭氩气保护。本发明能够获得耐高温氧化性好且与TA2基材呈冶金结合的激光重熔层，发明具有工艺简单、适于工业推广应用等优点。
四、具体实施方式
实施例1：
将TA2钛合金切成长度10 mm、宽度10 mm、厚度40 mm长方体；在激光处理前，清理钛合金表面，并拭净、吹干；将87Stellite156-10B4C-3Zn（wt%）混合粉末激光熔化沉积于TA2钛合金10 mm×40 mm表面，形成熔化沉积层，后将适量La2O3激光重熔于该熔化沉积层表面，工艺步骤：
1）在激光熔化沉积前，将TA2钛合金长方体10 mm×40 mm待处理表面用120号砂纸打磨平整；后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗，酸洗时间5～10 min；后用清水冲洗，再用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
2）用电子天平分别称取Stellite 156粉末87 g，B4C粉末10 g，Zn粉末3 g，放入烧杯；其中Stellite156粉末尺寸150 μm，B4C粉末尺寸50 μm，Zn粉末尺寸100 μm，充分混合并烘干；
3） 用同轴送粉器直接将烧杯中混合粉末吹向试样待处理表面进行激光处理，形成激光熔化沉积层；后将适量La2O3粉末激光重熔于已形成的沉积层表面，形成激光重熔层；
其中，步骤3）中激光熔化沉积工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 7 mm/s，送粉速率27 g/min，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%；步骤3）中重熔工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度8 mm/s，送粉速率10 g/min，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护，氩气流速30L/min，搭接率25%。
五、附图说明
图1.Stellite156-B4C-Zn激光熔化沉积层SEM像: (a, b) 陶瓷析出物, (c) 结合区；
图2. Stellite156-B4C-Zn-La2O3激光重熔层: (a) 中部组织结构, (b) 细小枝晶,(c) 非晶-纳米晶区HRTEM像；
图3. TA2钛合金及其激光熔化沉积层,激光重熔层高温氧化系数曲线图。

Claims (1)

1.一种激光熔化沉积制备TA2钛合金非晶增强防护层的方法，其特征是：
将一定质量比例Stellite156-B4C-Zn混合粉末烘干并充分混合；经同轴送粉器直接将Stellite156-B4C-Zn混合粉末吹向TA2钛合金基材表面进行激光熔化沉积处理，形成沉积层，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5～10 mm/s，送粉速率27 g/min，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%；混合粉末成分（wt%）：87Stellite156，10B4C，3Zn；Stellite156成分（wt%）：2.40C，30.50Cr，1.00Si，12.50W，3.00Fe，1.00Mo，3.00Ni，0.25Mn，余量Co；
再经同轴送粉器将La2O3粉末吹向之前形成的激光熔化沉积层表面，进行激光处理形成激光重熔层，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5～10 mm/s，送粉速率10 g/min，光斑直径4.5 mm，激光束垂直扫描并同轴吹送氩气保护熔池及镜筒，氩气流速30 L/min，搭接率25%。
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