CN116219433A - 一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents
一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116219433A CN116219433A CN202310476028.1A CN202310476028A CN116219433A CN 116219433 A CN116219433 A CN 116219433A CN 202310476028 A CN202310476028 A CN 202310476028A CN 116219433 A CN116219433 A CN 116219433A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wear
- resistant coating
- powder
- titanium alloy
- titanium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 107
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 98
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 97
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 96
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 44
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 42
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 claims description 17
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 14
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 12
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical group CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 7
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 6
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 37
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 10
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 239000002932 luster Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910000905 alloy phase Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001638 boron Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000013386 optimize process Methods 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
- C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
- C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
- C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明属于型材制备技术领域，具体提供一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法。本发明钛合金基板与耐磨涂层之间设有纯钛连结层。其中，纯钛连结层由TA1粉末通过激光熔化沉积制成，耐磨涂层主要由B4C粉末、TiC粉末和TA1粉末通过激光熔化沉积制成。本发明采用激光熔化沉积技术获得与基材完全冶金结合的涂层，涂层表面洁净且与基体相的相容性更好，具有稳定的力学性能和良好耐磨性能，可根据实际需求灵活生产不同厚度的连结层强化钛合金耐磨涂层，成型速度快，制备成本较低。
Description
技术领域
本发明属于型材制备技术领域，具体涉及一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金是一种综合性能优异的结构材料，在航空航天、武器装备、轨道交通等重要领域应用广泛。钛合金具有耐腐蚀性好、密度低、比强度高、较好的韧性和焊接性等优势，但钛合金的磨损系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感，降低了在摩擦构件中的使用寿命，更无法在恶劣磨损环境中使用。
钛合金常用的表面改性手段包括热喷涂、磁控溅射、微弧氧化、电镀等。现如今热喷涂和磁控溅射制得涂层的结合强度很高，但反应过程中仍存在碳化物脱碳产生无定形相现象，使得涂层硬度降低、难以承受冲击载荷与干摩擦；而微弧氧化和电镀的电解液中不溶性纳米颗粒分散性差，导致微弧氧化膜外层不可避免地存在微孔，有些涂层因结合力差容易从涂层内部产生裂纹。
激光熔化沉积技术因其能量密度集中、冷却速率快、热影响区小、成分体系灵活等优点而应用前景广阔。该技术是以高能束激光作为能量源，熔化同步输送的粉末原材料，逐层堆叠形成三维实体构件，可以在线实时精准调控能量输入、加热位置、材料体系、界面梯度成分等参量。
黄立国等研究提出了添加少量硼可能显著改善钛合金组织，提高力学性能，富集在固-液界面前沿的硼通过成分过冷机制显著细化了钛合金晶粒尺寸，微量固溶以及过饱和的硼导致合金相变点的增加；共晶反应时生成的TiB在原始β相的树枝晶形态界面富集，而过量的TiB使在高温生成的树枝晶形态在室温组织中变得可见；在热加工及热处理高温保温时，处于晶界的TiB粒子显著钉扎了晶界，从而限制了晶粒快速长大，细小的晶粒在高温时得以保持有可能显著改善合金的成型性能。[黄立国,高志玉,付大军.少量硼对钛合金组织影响的研究进展[J].材料导报,2015,29(21):92-97]。
齐振佳等研究发现溶质元素硼在一定程度上固溶进钛晶格中，产生了轻微的晶格畸变或晶格点阵收缩现象，导致晶面间距改变。当晶粒尺寸较小时，晶界密度增大，会导致材料变形过程中的位错运动阻力加大，从而产生加工硬化作用，导致硬度提高；随着硼含量增加，熔池在凝固过程中通过共晶反应所生成的高硬度化合物TiB的含量也增加，并且相对弥散地分布在基体内，从而导致TC4的硬度提高。[齐振佳,张晓星,王豫跃,霍浩,王宏,张金智,张安峰.硼对激光增材制造TC4微观组织及力学性能的影响[J].中国激光,2020,47(06):124-130]。
王阿敏等研究发现采用激光熔覆技术在TC4表面预置不同配比Ti、Al、碳化硼、C等粉末，成功制备了组织均匀、冶金结合牢固的Ti/Al/碳化硼/C熔覆层，熔覆层主要由TiB、TiB2、碳化钛等陶瓷相组成，熔覆层磨损率均低于钛合金基体，表现出良好的抗磨损性能[王阿敏,张红霞,戴景杰.钛合金表面激光熔覆Ti/Al/B4C/C涂层组织与性能分析[J].材料保护,2020,53(03):41-46.]。
高显鹏等研究发现，Ti与碳化硼原位反应生成的TiB2和碳化钛可以为Ti晶粒提供形核点，复合材料中存在的团簇状、网状TiB2-碳化钛联生组织具有“钉扎作用”，会抑制Ti晶粒的生长，从而细化晶粒[高显鹏,徐俊强,周琦,钱旭升,林紫雄,张明朗.Ti6Al4V-10%B4C复合材料激光选区熔化工艺研究[J].中国激光,2021,48(14):126-134]。
张年龙等研究发现采用激光表面合金化技术，通过预置碳化硼和石墨混合合金化粉末的方式，在Ti-6Al-4V合金表面制备具有自润滑功能的TiB2-碳化钛陶瓷涂层，由于多相陶瓷的协同作用，具有良好的减摩和耐磨性能[张年龙,王波,张红霞,戴景杰.钛合金表面自润滑陶瓷涂层的组织及耐磨性能研究[J].表面技术,2018,47(12):173-180]。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法。
本发明采用激光熔化沉积技术获得与基材完全冶金结合的涂层，本发明采用激光熔化沉积技术获得的原位自生的陶瓷相表面洁净与基体相的相容性好，具有稳定的力学性能和良好耐磨性能，可根据实际需求灵活生产不同厚度的连结层强化钛合金耐磨涂层，成型速度快，制备成本较低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种连结层强化钛合金耐磨涂层，钛合金基板与耐磨涂层之间设有纯钛连结层，纯钛连结层厚度为耐磨涂层的厚度的1/6-1/4，其中，纯钛连结层由TA1钛合金构成；耐磨涂层包括碳化硼0-40重量份、碳化钛0-40重量份和TA1钛合金60重量份，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份。
本发明通过采用制备一层纯钛连结层来缓解耐磨涂层与钛合金基板之间的应力冲突，同时显著增加了碳化硼粉末和碳化钛粉末在激光熔化沉积中形成的熔池中B元素和C元素与Ti元素的结合，而原位自生的碳化钛、TiB及TiB2等陶瓷相更为洁净，与基体相的相容性更好。
耐磨涂层厚度为0.5-5mm。
优选的，钛合金基板与耐磨涂层之间设有纯钛连结层，纯钛连结层厚度为耐磨涂层的厚度的1/6-1/4，其中，纯钛连结层由TA1钛合金构成；耐磨涂层包括碳化硼1-39重量份、碳化钛1-39重量份和TA1钛合金60重量份，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份。
其中，纯钛连结层由TA1钛合金粉末制备而成；耐磨涂层由碳化硼粉末、碳化钛粉末和TA1钛合金粉末制备而成，其中，碳化硼粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；碳化钛粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；TA1粉末的纯度为99.9%。
本发明钛合金耐磨涂层具有稳定的力学性能和良好耐磨性能，可根据实际需求灵活生产不同厚度的连结层强化钛合金耐磨涂层，制备成本较低，成型速度快。
一种连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1﹑将0-40重量份碳化硼粉末、0-40重量份碳化钛粉末和60重量份TA1钛合金粉末混合获得耐磨涂层粉末，其中，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份，耐磨涂层粉末中加入分散剂后进行球磨获得混合粉体；
步骤2﹑将TA1钛合金粉末通过激光熔化沉积熔覆在钛合金基板上形成纯钛连结层；
步骤3﹑将步骤1中获得的混合粉体通过激光熔化沉积熔覆在步骤2纯钛连结层上形成耐磨涂层；
步骤4﹑将步骤3中耐磨涂层进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，得到连结层强化钛合金耐磨涂层。
本发明首先制备激光熔化沉积时所需的混合粉体，然后通过激光熔化沉积技术将TA1粉末熔覆在钛合金基板上，在纯钛连结层上继续熔覆混合粉体以制备出钛合金耐磨涂层，最后对钛合金耐磨涂层进行机加工处理得到连结层强化钛合金耐磨涂层。
其中，所述分散剂为纯度≥99.7%的无水乙醇，每100重量份的耐磨涂层粉末中加入50重量份的分散剂。
该优选的TA1粉末提供的纯Ti氛围促进B4C分解发生原位自生反应，B4C粉末和TiC粉末质量分数范围更利于B元素与Ti元素会发生共晶反应生成TiB和TiB2。
B4C粉末和TiC粉末粒度相同能让陶瓷相大小接近、组织均匀，TA1粉末粒度没有具体要求，均能形成熔池提供纯钛氛围。
无水乙醇在球磨罐中会渗透进粉末界面超过粉末，在真空高温干燥机箱干燥过程中直接挥发且不会对混合粉体有影响。
步骤1中采用陶瓷磨球罐进行球磨，其中使用球形95%氧化锆磨球，球磨机具体工艺及参数为球料质量比为2:1，转速为200r/min，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干5h获得混合粉体。
陶瓷磨球在球磨过程中不会对粉末进行污染，球形陶瓷磨球在真空高温干燥机箱干燥后便于直接取出，球形陶瓷磨球直径没有特殊的限制，可以根据实际要求选择不同直径，理论上直径越小，球磨后粉末更细小均匀。该优选的球料质量比，在球磨过程中能更好的对粉末进行碰撞研磨。200r/min的转速能够使球料充分接触、球磨均匀。真空高温干燥机箱参数能够使粉末脱氧、干燥便于进行后续激光熔化沉积操作，减少连结层强化钛合金耐磨涂层的工艺气孔。
步骤2中TA1粉末纯度为99.9%，纯钛连结层厚度为0.1-1mm。
最大连结层厚度能满足缓冲应力的作用，过大会导致整体韧性降低。
步骤2和步骤3中激光熔化沉积具体工艺及参数为:激光功率2000-3500 W、扫描速率5-10mm/s、送粉速率0.5-1.6g/min、载气流量2-3.3L/min、扫描方式为双向扫描、光斑直径1-4mm、氧气含量控制在50ppm以下、搭接率为30-50%。
该优选的工艺能够使粉末完全熔化形成液态熔池，更好地形成陶瓷相，光斑直径大小决定成型宽度，双向扫描保证了成型质量。
本发明通过激光熔化沉积技术将高功率密度激光束辐照到基材表面，使基材与熔覆层材料迅速熔化凝固，获得与基材完全冶金结合的涂层。相较于现有技术，通过激光熔化沉积技术形成的碳化物结构稳定，能够承受高强冲击载荷，涂层结合力强。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明采用激光熔化沉积制得连结层强化钛合金耐磨涂层，与基材完全冶金结合，本发明采用激光熔化沉积技术获得的原位自生陶瓷相更为洁净与基体相的相容性更好，具有稳定的力学性能和良好耐磨性能。
2、本发明可根据实际需求灵活生产不同厚度的连结层强化钛合金耐磨涂层，成型速度快，制备成本较低。
3、本发明采用激光熔化沉积方式制备耐磨涂层，原材料利用率高有利于降低制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1是本发明在钛合金基板上激光熔化沉积纯钛连结层过程示意图。
图2是在已沉积完的纯钛连结层继续沉积耐磨涂层的过程示意图。
图中：1、激光束；2、激光熔化沉积制造头；3、送料装置；4、钛合金基板；5、纯钛连结层；6、耐磨涂层。
实施方式
实施例1激光熔化沉积增材制造试验基板为TC4钛合金，钛合金基板4的尺寸为120mm×50mm×15mm，纯钛连结层5材料选择TA1粉末（纯度为99.9%），将1wt%的B4C粉末、39wt%TiC粉末和60wt%的TA1粉末混合获得耐磨涂层6粉末。B4C粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；TiC粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53um。耐磨涂层粉末每100g的中加入50g的无水乙醇（纯度≥99.7%）后放入球磨罐中，陶瓷磨球使用球形95%氧化锆磨球（93%ZrO2/5%Y2O3/2%其他）。球磨机具体工艺及参数为球料质量比为2:1，转速为200r/min，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干5h制得混合粉体。
试验采用的激光熔化沉积***由KUKA公司生产的六轴机器人KR60-HA，IPG公司生产的YSL-10000-KC激光器（最大输出功率为10KW），中科煜宸生产的RC/PGF/D型双桶送粉器，密封舱以及送气保护式光内送粉喷头组成。如图1，图2所示，激光熔化沉积***激光束1和激光熔化沉积制造头2垂直悬空设置在钛合金基板4上方，送料装置3圆周均布设置于激光熔化沉积制造头2周围。
在进行试验之前对钛合金进行预处理，采用600目的金相砂纸打磨钛合金基板4，将钛合金基板4上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，之后用75%无水乙醇试剂擦掉钛合金基板4表面的油污和脏物，最后吹干待用，氧化膜清除后，应在2h内进行试验，以免再生成新的氧化膜。
激光熔化沉积具体工艺及参数为:激光功率3500 W、扫描速率10mm/s、送粉速率1.6g/min、载气流量3.3L/min、扫描方式为双向扫描、光斑直径4mm、氧气含量控制在50ppm以下、搭接率为30-50%。首先在钛合金基板4上沉积1mm纯钛连结层5。纯钛连结层5沉积完成后，在其上继续沉积耐磨涂层6粉末，沉积5mm冷却后进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，获得连结层强化钛合金耐磨涂层。
使用数字显示维氏硬度计，分别对实施例1连结层强化钛合金耐磨涂层上不同点多次测量，测得硬度为758HV30。
在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上对实施例1连结层强化钛合金耐磨涂层进行试样的摩擦磨损实验，试验转速500r/min，摩损时间40min，试验载荷300N，磨损温度为室温。试验获得试样的磨损量，计算得出摩擦系数相比较于基体，下降了13.7%。
实施例2激光熔化沉积增材制造试验基板为TC4钛合金，钛合金基板4的尺寸为120mm×50mm×15mm，纯钛连结层5材料选择TA1粉末（纯度为99.9%），将20wt%的B4C粉末、20wt%TiC粉末和60wt%的TA1粉末混合获得耐磨涂层6粉末。B4C粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；TiC粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53um。耐磨涂层粉末每100g的中加入50g的无水乙醇（纯度≥99.7%）后放入球磨罐中，陶瓷磨球使用球形95%氧化锆磨球（93%ZrO2/5%Y2O3/2%其他）。球磨机具体工艺及参数为球料质量比为2:1，转速为200r/min，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干5h制得混合粉体。
试验采用的激光熔化沉积***由KUKA公司生产的六轴机器人KR60-HA，IPG公司生产的YSL-10000-KC激光器（最大输出功率为10KW），中科煜宸生产的RC/PGF/D型双桶送粉器，密封舱以及送气保护式光内送粉喷头组成。如图1，图2所示，激光熔化沉积***激光束1和激光熔化沉积制造头2垂直悬空设置在钛合金基板4上方，送料装置3圆周均布设置于激光熔化沉积制造头2周围。
在进行试验之前对钛合金进行预处理，采用600目的金相砂纸打磨钛合金基板4，将钛合金基板4上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，之后用75%无水乙醇试剂擦掉钛合金基板4表面的油污和脏物，最后吹干待用，氧化膜清除后，应在2h内进行试验，以免再生成新的氧化膜。
激光熔化沉积具体工艺及参数为:激光功率2000 W、扫描速率5mm/s、送粉速率0.5g/min、载气流量2L/min、扫描方式为双向扫描、光斑直径1mm、氧气含量控制在50ppm以下、搭接率为30-50%。首先在钛合金基板4上沉积1mm纯钛连结层5。纯钛连结层5沉积完成后，在其上继续沉积耐磨涂层6粉末，沉积4mm冷却后进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，获得连结层强化钛合金耐磨涂层。
使用数字显示维氏硬度计，对实施例2连结层强化钛合金耐磨涂层上不同点多次测量，测得硬度为756HV30。
在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上对实施例2连结层强化钛合金耐磨涂层进行试样的摩擦磨损实验，试验转速500r/min，摩损时间40min，试验载荷300N，磨损温度为室温。试验获得试样的磨损量，计算得出摩擦系数相比较于基体，下降了12.2%。
实施例3激光熔化沉积增材制造试验基板为TC4钛合金，钛合金基板4的尺寸为120mm×50mm×15mm，纯钛连结层5材料选择TA1粉末（纯度为99.9%），将39wt%的B4C粉末、1wt%TiC粉末和60wt%的TA1粉末混合获得耐磨涂层6粉末。B4C粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；TiC粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53um。耐磨涂层粉末每100g的中加入50g的无水乙醇（纯度≥99.7%）后放入球磨罐中，陶瓷磨球使用球形95%氧化锆磨球（93%ZrO2/5%Y2O3/2%其他）。球磨机具体工艺及参数为球料质量比为2:1，转速为200r/min，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干5h制得混合粉体。
试验采用的激光熔化沉积***由KUKA公司生产的六轴机器人KR60-HA，IPG公司生产的YSL-10000-KC激光器（最大输出功率为10KW），中科煜宸生产的RC/PGF/D型双桶送粉器，密封舱以及送气保护式光内送粉喷头组成。如图1，图2所示，激光熔化沉积***激光束1和激光熔化沉积制造头2垂直悬空设置在钛合金基板4上方，送料装置3圆周均布设置于激光熔化沉积制造头2周围。
在进行试验之前对钛合金进行预处理，采用600目的金相砂纸打磨钛合金基板4，将钛合金基板4上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，之后用75%无水乙醇试剂擦掉钛合金基板4表面的油污和脏物，最后吹干待用，氧化膜清除后，应在2h内进行试验，以免再生成新的氧化膜。
激光熔化沉积具体工艺及参数为:激光功率3000 W、扫描速率8mm/s、送粉速率1g/min、载气流量3L/min、扫描方式为双向扫描、光斑直径3mm、氧气含量控制在50ppm以下、搭接率为30-50%。首先在钛合金基板4上沉积0.5mm纯钛连结层5。纯钛连结层5沉积完成后，在其上继续沉积耐磨涂层6粉末，沉积3mm冷却后进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，获得连结层强化钛合金耐磨涂层。
使用数字显示维氏硬度计，对实施例3连结层强化钛合金耐磨涂层上不同点多次测量，测得硬度为761HV30。
在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上分别对实施例3连结层强化钛合金耐磨涂层进行试样的摩擦磨损实验，试验转速500r/min，摩损时间40min，试验载荷300N，磨损温度为室温。试验获得试样的磨损量，计算得出摩擦系数相比较于基体，下降了12.4%。
比较例1激光熔化沉积增材制造试验基板为TC4钛合金，钛合金基板4的尺寸为120mm×50mm×15mm，采用实施例2相同成分耐磨涂层6粉末和实施例2相同工艺条件，直接在钛合金基板4上沉积耐磨涂层6粉末，沉积5mm冷却后进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，获得钛合金耐磨涂层。
使用数字显示维氏硬度计，对比较例1钛合金耐磨涂层上不同点多次测量，测得硬度为750HV30。
在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上对比较例1钛合金耐磨涂层进行试样的摩擦磨损实验，试验转速500r/min，摩损时间40min，试验载荷300N，磨损温度为室温。试验获得试样的磨损量，计算得出摩擦系数相比较于基体，下降了24.5%。
实施例1、2、3连结层强化钛合金耐磨涂层的硬度高于比较例1钛合金耐磨涂层的硬度。
实施例1、2、3连结层强化钛合金耐磨涂层的耐磨性能明显优于比较例1钛合金耐磨涂层的耐磨性能。增加了纯钛连结层5以后，钛合金耐磨涂层的耐磨性能明显提高。
Claims (8)
1.一种连结层强化钛合金耐磨涂层，其特征在于：钛合金基板与耐磨涂层之间设有纯钛连结层，纯钛连结层厚度为耐磨涂层的厚度的1/6-1/4，其中，纯钛连结层由TA1钛合金构成；耐磨涂层包括碳化硼0-40重量份、碳化钛0-40重量份和TA1钛合金60重量份，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份。
2.根据权利要求1所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层，其特征在于：耐磨涂层包括碳化硼1-39重量份、碳化钛1-39重量份和TA1钛合金60重量份，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份。
3.根据权利要求1或2所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层，其特征在于：纯钛连结层由TA1钛合金粉末制备而成；耐磨涂层由碳化硼粉末、碳化钛粉末和TA1钛合金粉末制备而成，其中，碳化硼粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；碳化钛粉末的纯度为99.9%，粒度为15-53µm；TA1粉末的纯度为99.9%。
4.一种权利要求3所述的连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1﹑将0-40重量份碳化硼粉末、0-40重量份碳化钛粉末和60重量份TA1钛合金粉末混合获得耐磨涂层粉末，其中，耐磨涂层中碳化硼和碳化钛一共40重量份，耐磨涂层粉末中加入分散剂后进行球磨获得混合粉体；
步骤2﹑将TA1钛合金粉末通过激光熔化沉积熔覆在钛合金基板上形成纯钛连结层；
步骤3﹑将步骤1中获得的混合粉体通过激光熔化沉积熔覆在步骤2纯钛连结层上形成耐磨涂层；
步骤4﹑将步骤3中耐磨涂层进行表面处理以去除表面氧化皮及缺陷，得到连结层强化钛合金耐磨涂层。
5.根据权利要求4所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述分散剂为纯度≥99.7%的无水乙醇，每100重量份的耐磨涂层粉末中加入50重量份的分散剂。
6.根据权利要求5所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤1中采用陶瓷磨球罐进行球磨，其中使用球形95%氧化锆磨球，球磨机具体工艺及参数为球料质量比为2:1，转速为200r/min，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干5h获得混合粉体。
7.根据权利要求6所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤2中TA1粉末纯度为99.9%，纯钛连结层厚度为0.1-1mm。
8.根据权利要求7所述的一种连结层强化钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤2和步骤3中激光熔化沉积具体工艺及参数为:激光功率2000-3500 W、扫描速率5-10mm/s、送粉速率0.5-1.6g/min、载气流量2-3.3L/min、扫描方式为双向扫描、光斑直径1-4mm、氧气含量控制在50ppm以下、搭接率为30-50%。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310476028.1A CN116219433A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310476028.1A CN116219433A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116219433A true CN116219433A (zh) | 2023-06-06 |
Family
ID=86573471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310476028.1A Pending CN116219433A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116219433A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117198443A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 烟台核电智能技术研究院有限公司 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层的生产工艺 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014012140A1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-23 | Brenco Surface Engineering Pty Ltd | Wear resistant coating |
| CN104480464A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-01 | 安徽工业大学 | 一种在钛合金表面激光熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法 |
| CN106835126A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 中北大学 | 一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料 |
| CN111005019A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-04-14 | 中南大学 | 一种通过激光熔覆原位制备TiC/TiB耐磨涂层的方法 |
-
2023
- 2023-04-28 CN CN202310476028.1A patent/CN116219433A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014012140A1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-01-23 | Brenco Surface Engineering Pty Ltd | Wear resistant coating |
| CN104480464A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-01 | 安徽工业大学 | 一种在钛合金表面激光熔覆Ti-Si梯度耐磨涂层的方法 |
| CN106835126A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 中北大学 | 一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料 |
| CN111005019A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-04-14 | 中南大学 | 一种通过激光熔覆原位制备TiC/TiB耐磨涂层的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 郝虎在等: "《电子陶瓷材料物理》", vol. 1, 中国铁道出版社, pages: 96 - 97 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117198443A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 烟台核电智能技术研究院有限公司 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层的生产工艺 |
| CN117198443B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-01-26 | 烟台核电智能技术研究院有限公司 | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层的生产工艺 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gu et al. | Laser additive manufactured WC reinforced Fe-based composites with gradient reinforcement/matrix interface and enhanced performance | |
| Zhao et al. | Microstructure and properties of laser cladded B4C/TiC/Ni-based composite coating | |
| CN113122841B (zh) | 一种具有梯度组合结构的耐蚀耐磨涂层及其制备方法 | |
| GB2624471A (en) | Wear-resistant gradient interface complex-phase reinforced titanium alloy material and preparation method therefor | |
| Yinghua et al. | Improving the microstructure and mechanical properties of laser cladded Ni-based alloy coatings by changing their composition: A review | |
| Cao et al. | Laser metal deposition additive manufacturing of TiC/Inconel 625 nanocomposites: Relation of densification, microstructures and performance | |
| Wang et al. | Comparative study on microstructure and properties of Fe-based amorphous coatings prepared by conventional and high-speed laser cladding | |
| CN116219433A (zh) | 一种连结层强化钛合金耐磨涂层及其制备方法 | |
| CN110983106B (zh) | 一种抑制3d打印成形tc4合金组织中针状马氏体相形成的方法 | |
| Wang et al. | Core-shell structural iron based metal matrix composite powder for laser cladding | |
| Zhang et al. | Microstructural evolution and high-temperature oxidation of TiC/IN625 coatings fabricated by multi-layer extreme high-speed laser cladding | |
| Zhang et al. | Effect of laser energy density on microstructure, wear resistance, and fracture toughness of laser cladded Mo2FeB2 coating | |
| CN112779532A (zh) | 一种在锆合金表面制备锆基非晶/纳米晶复合涂层的方法 | |
| CN111575704A (zh) | 一种含稀土的钛合金表面自润滑耐磨涂层及其制备方法 | |
| CN116987922B (zh) | 一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法 | |
| CN110923707B (zh) | 基于激光熔覆的钛合金表面耐高温复合涂层材料 | |
| Zhang et al. | The influence of powder size on the microstructure and properties of Mo2FeB2 coating fabricated via laser cladding with pre-placed powder | |
| CN110241419B (zh) | 一种表面具有抗高温氧化和耐磨涂层的钛合金材料及应用 | |
| CN114875291B (zh) | 一种高熵合金粉末及其制备方法和一种高熵合金激光熔覆层及其制备方法 | |
| Niu et al. | Directed-energy deposition for ceramic additive manufacturing | |
| CN104451659A (zh) | 钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法 | |
| Deng et al. | High speed laser cladding as a new approach to prepare ultra-high temperature ceramic coatings. | |
| Li et al. | In situ synthesis and characterization of ceramic reinforced Inconel 718 coatings using B4C-Inconel 718 powders by laser-directed energy deposition | |
| Bao et al. | Development of laser cladding wear-resistant coating on titanium alloys | |
| CN115449787B (zh) | 一种镍基/w/c合金镀层及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230606 |