CN1470670A - Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ti－Ni－Si三元金属硅化物合金涂层材料，该涂层材料包含Ti、Ni、Si元素，其化学成分Ti为28～58wt％、Ni为28～60wt％、Si为4～16wt％，其主要组织组成相为二元金属硅化物Ti5Si3、三元金属硅化物Ti2Ni3Si并含少量金属间化合物NiTi、TiNiSi及Ni3Ti，其硬度为HV500～HV900、室温干滑动磨损耐磨性是淬火低温回火滚动轴承钢GCr15的10～30倍、是钛合金Ti6Al4V的80～180倍、耐磨使用温度最高可达1000℃。该涂层材料采用激光熔覆方法在机械运动副零部件表面制备成涂层，实现零部件的表面改性和修复。

Description

Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料
技术领域
本发明涉及一种有色金属合金材料，更特别的是指一种耐高温耐磨耐腐蚀的Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料及其在金属机械零部件上制成耐高温耐磨耐蚀的涂层。
发明背景
在航空、航天、机械、钢铁及有色金属冶金、石油、化工、电力、海洋等工业中，存在大量摩擦磨损运动副金属机械零部件在高温、腐蚀、热腐蚀等条件下承受强烈的摩擦磨损，要求这些金属运动副机械零部件同时具有优异的耐磨性能(室温及高温磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损冲刷磨损、微动磨损等)、良好的高温抗氧化性能、低的摩擦系数及优良的摩擦学相容性等使用性能配合。
采用表面工程等手段，在钛合金、高温合金、耐热钢、奥氏体不锈钢等钢铁材料及其他各种金属机械运动副零部件表面制备一层高温耐磨耐蚀涂层材料，是解决和提高高温运动副零部件高温耐磨性能、耐蚀性能等性能最有效和最经济的措施之一，也是解决钛合金等高性能结构材料摩擦系数高、耐磨性低、高温抗氧化性能低、高温高速摩擦易燃等缺点的最有效方法之一。
在高温耐磨耐蚀涂层材料体系方面：Ni-Cr-B-Si-C、Fe-Cr-Si-B、Fe-Cr-Si-B-C等热喷涂低熔点自熔合金体系，由于高温硬度低、抗氧化性能差、摩擦学相容性差、熔点低，难以用作高温耐磨耐蚀涂层使用；Co-WC、NiCr-Cr2C3、CoCr-Cr3C2等碳化物增强等热喷涂金属陶瓷耐磨涂层材料体系，存在涂层抗氧化性能差、脆性大、涂层不致密、涂层与零件界面结合强度低、涂层对配偶件磨损严重、摩擦学相容性低等缺点；氧化铝、氧化锆陶瓷材料高温耐磨耐蚀涂层，高温耐磨性及高温抗氧化性能优异，但其对金属的摩擦学相容性差，且涂层只能采用等离子喷涂等热喷涂方法制备，涂层组织不致密，涂层脆性很大，通常作为高温耐磨运动副使用会受到很大限制。
在涂层制备技术方面：火焰喷涂、高速火焰喷涂、常压等离子喷涂喷涂、低压等离子喷涂、电弧喷涂、***喷涂等热喷涂方法制备的涂层，组织存在疏松及孔隙，特别是涂层与金属零件界面结合为机械结合，界面接合强度低，涂层在高温摩擦磨损及热循环过程中易剥落；激光熔覆方法制备涂层存在组织细小、成分均匀、涂层致密、涂层与金属零件基材之间为完全冶金结合等特点，是制备高性能优质涂层的理想方法之一。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种耐高温耐磨耐蚀的Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料。
本发明的另一目的是，提供一种用于在金属机械零部件上制成耐高温耐磨耐蚀的涂层，实现零部件的表面改性和修复。
本发明的一种Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料，包含Ti、Ni、Si元素，其化学成分Ti为28～58wt％、Ni为28～60wt％、Si为4～16wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si、Ti5Si3、TiNiSi、Ti2Ni3Si并含少量NiTi及Ni3Ti组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为28～33wt％、Ni为55～59wt％、Si为9.5～11wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及少量NiTi及Ni3Ti组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为37～41wt％、Ni为48～52wt％、Si为9.5～11wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为42～46wt％、Ni为42～46wt％、Si为10.5～12.5wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为50～54wt％、Ni为30～34wt％、Si为14～16wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si2组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为33～37wt％、Ni为55～59wt％、Si为5～8wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其化学成分Ti为35～39wt％、Ni为55～59wt％、Si为4～6wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及少量NiTi及Ni3Ti组成。
所述的硅化物合金涂层材料，其还可加入总量不超过12％wt％的Cr或Mo或Al，提高涂层材料1％～5％的高温强度及高温耐磨耐蚀性能。
所述的硅化物合金涂层材料，可用于在金属机械运动副零部件表面上制成耐磨耐蚀耐热涂层，实现零部件表面改性。
本发明是在钛合金、高温合金、耐热钢、不锈钢、铝合金、低合金钢等金属材料机械运动副零部件上制备高性能高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料，使零部件同时具有优异耐磨性能(包括优异常温及高温磨料磨损、粘着磨损、冲刷磨损、腐蚀磨损性能等)、优良高温抗氧化性能、低摩擦系数、良好金属摩擦学相容性等性能配合的部件，达到表面改性，有效降低成本。
附图说明
图1是室温干滑动磨损实验原理示意图。
图2是4#合金涂层材料的组织光学金相照片，X500。
图3是6#合金涂层材料的组织光学金相照片，X500。
图4是3#合金涂层材料的硬度分布曲线。
图5是5#合金涂层材料的硬度分布曲线。
具体实施方式
本发明是一种Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金高温耐磨耐蚀涂层材料，该涂层材料主要由Ti、Ni、Si元素组成，其化学成分为Ti的重量百分比为28～58、Ni的重量百分比为28～60、Si的重量百分比为4～16，为进一步提高该合金的耐磨、耐蚀及强韧性等性能，还可以加入总量不大于12％的Cr或Mo或Al合金元素。该涂层材料的主要组织组成相为二元金属硅化物Ti5Si3、三元金属硅化物Ti2Ni3Si并可含少量金属间化合物NiTi、TiNiSi及Ni3Ti，具有优异的常温及高温磨料磨损及粘着磨损耐磨性、低的摩擦系数、优异的高温抗氧化性能与抗热腐蚀性能、优良的摩擦学相容性与耐蚀性。
该涂层材料的硬度为HV500～HV900，室温干滑动磨损耐磨性是淬火低温回火滚动轴承钢GCr15的10～30倍，是钛合金Ti6Al4V的80～180倍，耐磨使用温度最高可达1000℃。
该Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金高温耐磨耐蚀涂层材料，可采用氩气雾化、离心雾化、等离子旋转电极雾化等方法制备成合金粉末，利用等离子喷涂、***喷涂、堆焊、火焰喷涂、激光熔覆等方法在钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等钢铁材料及其它金属材料机械运动副零部件表面制备涂层，也可以采用元素粉末混合料激光熔覆方法在氩气保护条件下制备高温耐磨耐蚀涂层。
该Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金高温耐磨耐蚀涂层材料，可广泛应用于电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金、航空航天等工业装备中的钛合金、高温合金、不锈钢等钢铁材料及其它金属材料高温摩擦磨损机械运动副零部件的表面改性与修复。
实施例
选取表1中的六个优化设计的典型Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料。
制备方法：
(1)采用精度为0.1mg的电子天平称称量Ti、Ni、Si三种元素粉末，粉末粒度要求为60～320目；
(2)混合上述元素粉末；
(3)采用激光熔敷方法并在氩气保护条件下在机械零部件表面上制涂层材料。
(4)选取在BT20、BT9、Ti-6Al-4V钛合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢、GH4169镍基高温合金结构材料作为载体进行制备高温耐磨耐蚀涂层。
           表1：Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金化学成分含量(wt％)
元素                            重量百分比(wt％)
    1#     2#     3#     4#     5#     6#
    Ti     32     39     44     52.5     35     37.3
    Ni     58     50.5     44.2     32.2     57     57.2
    Si     10     10.5     11.8     15.3     8     5.5
1、采用激光熔覆方法制备涂层
选用粒度为60～320目的上述合金粉末，在TJ-5000型5kW横流连续CO2激光材料加工与表面改性成套设备上、采用预置粉末及同步送粉法、利用激光熔覆并在氩气保护条件下在牌号为BT20、BT9、Ti-6Al-4V的钛合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢、GH4169镍基高温合金、45钢结构材料的载体表面上，制备Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层。
激光熔覆工艺条件为：激光输出功率2.5～3.5kW、光斑直径尺寸约3～6mm、光束扫描速度为200～350mm/min。激光熔覆涂层组织致密均匀、无裂纹、无气孔、同零件基材之间为完全冶金熔合结合。
涂层组织主要组织组成相是金属硅化物Ti2Ni3Si、Ti5Si3及少量TiNiSi或Ti2Ni3Si金属硅化物与NiTi金属间化合物及少量Ni3Ti与Ti5Si3。涂层硬度分布均匀，平均涂层硬度HV500～HV900。
2、显微组织分析
采用Dmax-2200pc旋转阳极X射线衍射仪对耐磨复合材料涂层进行物相组成分析，分别用Neophot光学金相显微镜及S-530扫描电子显微镜上进行涂层组织分析及磨损表面形貌观察。在MH-6半自动显微硬度计测量涂层平均硬度及硬度分布。
X射线衍射分析结果表明，1#涂层材料的主要组织组成相为金属硅化物Ti2Ni3Si及少量Ti5Si3、NiTi、Ni3Ti及TiNiSi；2#～4#涂层材料的主要组织组成相为二元金属硅化物Ti5Si3及三元属硅化物Ti2Ni3Si，如图2所示，其中Ti5Si3体积百分数及涂层硬度都随Ti含量及Si含量的提高而提高；5#～6#涂层材料的主要组织组成相为三元属硅化物Ti2Ni3Si及金属间化合物NiTi并可含少量Ni3Ti，如图3所示，其中Ti2Ni3Si相所占体积百分数及涂层硬度都随Si含量的提高而提高。
3、室温干滑动磨损实验
在MM-200型磨损实验机上进行干滑动磨损实验，如图1所示。涂层材料(尺寸为10mm×10mm×10mm)与淬火低温回火滚动轴承钢GCr15#钢对磨试环进行摩擦，导致试样表面发生磨损，磨损实验参数见表2。分别以淬火低温回火滚动轴承钢GCr15及钛合金Ti6Al4V作为标准试样，采用称重法测量标准试样及磨损试样的磨损失重，磨损前后均用酒精擦洗试样，用感量为10-4克的电子分析天平称取试样磨损失重(所有结果均为三块相同试样的平均值)，用相对耐磨性εW即标样失重与试样失重之比作为衡量试样耐磨性高低的标准，εW越大，表示材料耐磨性越好。
                     表2 滑动磨损实验参数
载荷(kg)              对磨环旋转速度(rpm)              磨损时间(min)
 15.0                        400                            60
4、Ti-Ni-Si合金涂层材料的显微硬度及耐磨性
激光熔覆Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层硬度分布均匀，涂层硬度很高，平均硬度达到HV500～HV900以上，几个典型涂层的硬度分布曲线见图4及图5。磨损试验结果表明，该涂层材料具有很好的耐磨性，其耐磨性是淬火滚动轴承钢GCr15的10～30倍、是钛合金Ti6Al4V的80～180倍，摩擦系数较钛合金降低30％以上。
   表3 涂层材料同淬火滚动轴承钢GCr15的室温干滑动磨损试验结果
    合金     1#   2#～4#   5#～6#     GCr15
    磨损前，克   8.8876   7.7529   9.6301     8.1057
    磨损后，克   8.8757   7.7485   9.6259     7.9639
   磨损失重     0.0119     0.0044     0.0042     0.1418
  相对耐磨性     11.9     32.2     33.7     1.0
   表4 涂层材料同钛合金Ti6Al4V的室温干滑动磨损试验结果
    合金     1#    2#～4#     5#～6#    Ti6Al4V
    磨损前，克     8.8876     7.7529     9.6301     9.8009
    磨损后，克     8.8757     7.7485     9.6259     8.8358
    磨损失重     0.0119     0.0044     0.0042     0.9651
    相对耐磨性     81.1     219.3     229.7     1.0
在表1所述的合金涂层材料中加入总重不超过12％的Cr或Mo或Al元素粉末，可有效的提高1％～5％涂层材料的高温耐磨性、高温抗氧化性能、耐蚀性及高温强度。
本发明的涂层材料可广泛应用于提高航空、航天、兵器、船舶、电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金等工业机械装备中各种钛合金、高温合金、耐热钢、奥氏体不锈钢等钢铁材料及其它金属材料摩擦磨损机械运动副零部件耐磨、耐蚀、耐热、耐冲蚀等使用性能的载体上，达到载体表面改性和修复。

Claims (10)

1、一种Ti-Ni-Si三元金属硅化物合金涂层材料，其特征在于：包含Ti、Ni、Si元素，其化学成分Ti为28～58wt％、Ni为28～60wt％、Si为4～16wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si、Ti5Si3、TiNiSi、Ti2Ni3Si并含少量NiTi及Ni3Ti组成。
2、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：其化学成分Ti为28～33wt％、Ni为55～59wt％、Si为9.5～11wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及少量NiTi及Ni3Ti组成。
3、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：其化学成分Ti为37～41wt％、Ni为48～52wt％、Si为9.5～11wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
4、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：其化学成分Ti为42～46wt％、Ni为42～46wt％、Si为10.5～12.5wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
5、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：其化学成分Ti为50～54wt％、Ni为30～34wt％、Si为14～16wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
6、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：其化学成分Ti为33～37wt％、Ni为55～59wt％、Si为5～8wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及Ti5Si3组成。
7、根据权利要求1所述的硅化物合金涂层材料，其特征上在于：其化学成分Ti为35～39wt％、Ni为55～59wt％、Si为4～6wt％，其组织组成相为Ti2Ni3Si及少量NiTi及Ni3Ti组成。
8、根据权利要求1～7所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：还可加入总量不超过12％wt％的Cr或Mo或Al，提高涂层材料1％～5％的高温强度及高温耐磨耐蚀性能。
9、根据权利要求1～8所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：可用于在金属机械运动副零部件表面上制成耐磨耐蚀耐热涂层，实现零部件表面改性和修复。
10、根据权利要求9所述的硅化物合金涂层材料，其特征在于：机械零部件载体可选取钛合金、高温合金、耐热钢、奥氏体不锈钢材质制作成的零部件。
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