專利名稱：鈦合金表面耐磨涂層的火焰噴焊工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面熱噴涂(焊)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種鈦合金表面耐磨涂層的火焰噴焊工藝方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的工藝性和生物相容性，一直是航空航天等軍事領(lǐng)域中所使用的主要金屬材料之一。隨著鈦合金從軍用轉(zhuǎn)向民用進(jìn)程的深入，鈦合金在船舶海洋、能源化工、車輛工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，并已成為這些領(lǐng)域中新工藝、新技術(shù)、新裝備不可缺少的金屬材料之一。但它也存在著硬度低、摩擦系數(shù)大，耐磨性較差等不足，嚴(yán)重地影響著它的使用性能，限制著它的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，在要求具有抗磨損性能的應(yīng)用中，鈦合金只有在經(jīng)過改善表面摩擦學(xué)行為后才被使用。
縱觀鈦合金表面耐磨改性技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段一是以電鍍、熱擴(kuò)散和熱噴涂為代表的傳統(tǒng)表面技術(shù)階段，這一階段的技術(shù)所獲得的表面改性層大多存在改性層較薄、結(jié)合強(qiáng)度較低及對(duì)基體損壞較嚴(yán)重(如氫脆、氧脆等)的不足，尤其是在高承載條件下其使用性能很難保證；二是以三束為代表且以激光熔覆技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代表面技術(shù)階段，該階段的技術(shù)無論從制備工藝還是涂層結(jié)合性能來看都具有很大的優(yōu)勢(shì)，但普遍存在著成本較高、靈活性較差等局限性，很大程度限制了其向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化；三是兩種及多種表面技術(shù)的綜合應(yīng)用階段，如深度硬化技術(shù)、熱噴涂+激光熔覆等，雖然這些技術(shù)所制備的耐磨涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)有所提高，但工程適應(yīng)性問題即該技術(shù)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性仍未得到很好的解決。
火焰噴焊技術(shù)是一種成熟的表面改性處理技術(shù)，具有節(jié)能、價(jià)廉、高效、獲得的涂層可靠以及很強(qiáng)的工程適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于多種材料的表面改性處理和表面再制造中，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；同時(shí)適合于火焰噴焊的自熔性合金粉末又是一種應(yīng)用廣泛的具有優(yōu)良耐磨抗蝕耐溫性能的涂層材料。但是關(guān)于采用火焰噴焊技術(shù)在鈦合金表面上通過噴焊自熔性合金粉末制備耐磨涂層的研究尚未見報(bào)道，造成上述情況的主要原因如下(1)鈦合金表面活性較高，和氧的親和力很強(qiáng)，且自熔性合金粉末中的B、Si元素?zé)o法將其還原，在實(shí)施火焰噴焊過程中很難獲得清潔表面，因此一般認(rèn)為鈦合金基體上不適合采用火焰噴焊技術(shù)進(jìn)行表面改性；(2)火焰噴焊過程中溫度較高且噴焊層冷卻速度較快，合金元素?cái)U(kuò)散不能充分進(jìn)行，而且殘余應(yīng)力較大，削弱了鈦合金基體和涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度，很難獲得良好的結(jié)合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金表面耐磨涂層的火焰噴焊工藝方法，該工藝不僅能夠獲得性能可靠的耐磨涂層，而且具有較大的靈活性和優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是采用“二步法”噴焊工藝，即先在基體表面上噴涂合金粉末然后再對(duì)其重熔，其一般工藝過程為凈化—粗化—預(yù)熱—噴保護(hù)層—二次加熱—噴涂合金粉末—重熔噴涂層—緩冷；其特征是1.工件表面預(yù)處理工藝首先采用噴砂、機(jī)械切削或其他粗化方法使待噴表面的粗糙度達(dá)到Ra25～12.5，保證表面的潤(rùn)濕性和涂層合金的流動(dòng)性；然后采用有機(jī)清洗劑對(duì)工件進(jìn)行清洗，并將其放置在用鹽酸、硝酸、氫氟酸及蒸餾水配制的溶液中浸蝕，最后用25～55ml/L的氫氟酸、30～50g/L六水硫酸鋅及蒸餾水配制的活化液對(duì)其進(jìn)行活化，至工件表面完全被暗灰色鋅膜覆蓋，取出用流動(dòng)水清洗干凈。
2.噴焊工藝在實(shí)施噴焊時(shí)，將經(jīng)過預(yù)處理的工件預(yù)熱到230～270℃后噴涂保護(hù)層，然后二次加熱并噴涂合金粉末，隨后立即進(jìn)行重熔，在涂層合金出現(xiàn)“鏡面反光”后，使涂層合金在液態(tài)下停留20～60s，然后緩冷至室溫。
3.焊后熱處理工藝噴焊后對(duì)工件進(jìn)行“回火”熱處理，加熱溫度為200～600℃，保溫時(shí)間0.5～2h。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明在一般工藝過程的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了工件表面預(yù)處理工藝，增加了表面浸鋅活化工序，并將常規(guī)表面凈化工序和活化工序合二為一，在基本不增加成本的基礎(chǔ)上使待噴鈦合金工件獲得清潔表面，從而為實(shí)施噴焊作好準(zhǔn)備。
2.本發(fā)明通過合理確定噴焊過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，增加基體和涂層中合金元素的擴(kuò)散，使之形成良好的冶金結(jié)合。
3.本發(fā)明采用噴焊后進(jìn)行回火熱處理，降低殘余應(yīng)力，穩(wěn)定涂層組織，進(jìn)一步提高耐磨涂層的綜合性能。
本發(fā)明采用上述工藝在鈦合金表面上制備了結(jié)合性能優(yōu)良的耐磨涂層，具體表現(xiàn)為噴焊層是具有韌基體+硬質(zhì)相的耐磨組織，表層硬度高達(dá)HV0.3850～1250，是未處理鈦合金的3～4倍，耐磨性提高了10～18倍(以磨損失重為指標(biāo))；基體/涂層間過渡層的組織呈現(xiàn)由平面晶依次轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹А渲Ш偷容S晶，涂層與基體形成明顯的冶金結(jié)合，基體中的Ti元素在整個(gè)橫切面上充分?jǐn)U散，且一直擴(kuò)散到涂層表層，顯微硬度在橫切面上沿層深分布具有漸變性和連續(xù)性，基體和涂層具有優(yōu)良的結(jié)合性能。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是實(shí)施例1制備的涂層界面區(qū)的組織形貌圖2是實(shí)施例1制備的涂層噴焊層的組織形貌圖3是實(shí)施例2制備的涂層界面區(qū)的組織形貌。
圖4是實(shí)施例2制備的涂層噴焊層的組織形貌圖5是實(shí)施例3制備的涂層界面區(qū)的組織形貌圖6是實(shí)施例3制備的涂層噴焊層的組織形貌
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
為實(shí)施例1.將工件表面進(jìn)行噴砂粗化，使待噴表面的粗糙度達(dá)到Ra25，然后用丙酮超聲波清洗3～5分鐘，放入用鹽酸、硝酸、氫氟酸及蒸餾水配制的溶液中浸蝕，隨后將其置于30ml/L氫氟酸、30g/L六水硫酸鋅的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色鋅膜覆蓋；將經(jīng)過預(yù)處理的工件預(yù)熱到230℃后噴涂保護(hù)層、二次加熱、噴涂合金粉末，并重熔噴涂層控制涂層合金在液態(tài)下停留20秒，然后緩冷至室溫；再將其重新加熱到200℃，保溫30分鐘，進(jìn)行“回火”熱處理。
采用上述工藝制備的耐磨涂層的界面區(qū)及噴焊層組織形貌如圖1、2所示，基體與涂層表現(xiàn)為良好的冶金結(jié)合，噴焊層組織為Ni基固溶體+黑色碳化物等硬質(zhì)相，其表層硬度為HV0.3929.8，與GCr15(硬度HRC61)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，其磨損失重僅為未處理鈦合金的1/10。
實(shí)施例2.將工件表面進(jìn)行噴砂粗化，使待噴表面的粗糙度達(dá)到Ra25，然后用丙酮超聲波清洗3～5分鐘，放入用鹽酸、硝酸、氫氟酸及蒸餾水配制的溶液中浸蝕，隨后將其置于45ml/L氫氟酸、40g/L六水硫酸鋅的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色鋅膜覆蓋；將經(jīng)過預(yù)處理的工件預(yù)熱到250℃后噴涂保護(hù)層、二次加熱、噴涂合金粉末，并重熔噴涂層控制涂層合金在液態(tài)下停留40秒，然后緩冷至室溫；再將其重新加熱到400℃，保溫60分鐘，進(jìn)行“回火”熱處理。
采用上述工藝制備的耐磨涂層的界面區(qū)及噴焊層組織形貌如圖3、4所示，基體與涂層表現(xiàn)為良好的冶金結(jié)合，噴焊層組織為Ni基固溶體+黑色碳化物等硬質(zhì)相，其表層硬度為HV0.3975.1，與GCr15(硬度HRC61)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，其磨損失重僅為未處理鈦合金的1/14。
實(shí)施例3.工件表面端面車螺紋，使待噴表面的粗糙度達(dá)到Ra12.5，然后用丙酮超聲波清洗3～5分鐘，放入用鹽酸、硝酸、氫氟酸及蒸餾水配制的溶液中浸蝕，隨后將其置于55ml/L氫氟酸、50g/L六水硫酸鋅的活化液中活化至工件表面完全被暗灰色鋅膜覆蓋；將經(jīng)過預(yù)處理的工件預(yù)熱到270℃后噴涂保護(hù)層、二次加熱、噴涂合金粉末，并重熔噴涂層控制涂層合金在液態(tài)下停留60秒，然后緩冷至室溫；再將其重新加熱到600℃，保溫120分鐘，進(jìn)行“回火”熱處理。
采用上述工藝制備的耐磨涂層的界面區(qū)及噴焊層組織形貌如圖5、6所示，基體與涂層表現(xiàn)為良好的冶金結(jié)合，噴焊層組織為Ni基固溶體+黑色碳化物等硬質(zhì)相，其表層硬度為HV0.31222.2，與GCr15(硬度HRC61)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，其磨損失重僅為未處理鈦合金的1/18。
權(quán)利要求
1.鈦合金表面耐磨涂層的火焰噴焊工藝方法，采用“二步法”噴焊工藝，具體工藝過程為凈化-粗化-預(yù)熱-噴保護(hù)層-二次加熱-噴涂合金粉末-重熔噴涂層-緩冷；其特征是首先采用噴砂、機(jī)械切削或其他粗化方法使待噴表面的粗糙度達(dá)到Ra25～12.5之后，保證表面的潤(rùn)濕性和涂層合金的流動(dòng)性；然后采用有機(jī)清洗劑對(duì)工件進(jìn)行清洗，并將其放置在用鹽酸、硝酸、氫氟酸及蒸餾水配制的溶液中浸蝕，最后用25～55ml/L的氫氟酸、30～50g/L六水硫酸鋅及蒸餾水配制的活化液對(duì)其進(jìn)行活化，至工件表面完全被暗灰色鋅膜覆蓋，取出用流動(dòng)水清洗干凈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金表面耐磨涂層火焰噴焊工藝方法，其特征是在實(shí)施噴焊時(shí)，將經(jīng)過預(yù)處理的工件預(yù)熱到230～270℃后噴涂保護(hù)粉，然后二次加熱并噴涂合金粉末，隨后立即進(jìn)行重熔，在涂層合金出現(xiàn)“鏡面反光”后，使涂層合金在液態(tài)下停留20～60s，然后緩冷至室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金表面耐磨涂層火焰噴焊工藝方法，其特征是噴焊后采用熱處理工藝在200～600℃下進(jìn)行“回火”，保溫時(shí)間為0.5～2h。
全文摘要
一種鈦合金表面耐磨涂層的火焰噴焊工藝方法，該工藝通過在表面預(yù)處理工藝中增加表面浸鋅活化工序，并將表面凈化工序與之合二為一；同時(shí)合理確定了工藝過程中的關(guān)鍵參數(shù)，具體為待噴表面粗糙度為Ra25～12.5，預(yù)熱溫度為230～270℃，重熔時(shí)液態(tài)停留時(shí)間為20～60s；并在噴焊后對(duì)其進(jìn)行“回火”熱處理，熱處理溫度范圍為200～600℃，保溫時(shí)間為0.5～2h等一系列工藝措施，成功地在鈦合金表面制備了結(jié)合性能優(yōu)良的火焰噴焊耐磨涂層，較好地解決了工程實(shí)踐實(shí)施的靈活性問題。
文檔編號(hào)C23C4/12GK1603450SQ20041006521
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者許曉靜, 王宏宇, 陳康敏 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)