一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，所述強(qiáng)化涂層包括致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和界面過渡層，不含大尺度枝晶增強(qiáng)相，所述致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層具有粒徑≤50nm的超細(xì)納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)特征，顯微觀察呈織構(gòu)狀形態(tài)分布，其厚度>700μm；界面過渡層位于致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和鈦合金基體之間，厚度介于100-600μm之間；界面過渡層與致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。本發(fā)明的自生納米顆粒激光強(qiáng)化涂層組織均勻，在提高鈦合金表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強(qiáng)化層厚度和極佳的強(qiáng)度梯度分布行為，從而有利于強(qiáng)化表面長期穩(wěn)定工作。
【專利說明】一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層
(-)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦合金表面強(qiáng)化處理技術(shù)，具體涉及一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層。
(二)

【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金是近年來獲得廣泛應(yīng)用的一種具有優(yōu)秀綜合性能的金屬材料，目前多用于制作葉片、葉盤以及各類泵閥等高速過流部件。鈦合金部件目前公認(rèn)的有效強(qiáng)化手段主要為表面氮化處理。傳統(tǒng)使用較多的是高溫氮化技術(shù)，包括高溫氣體氮化、離子氮化等。但一般均存在氮化層厚度過薄(幾微米到幾十微米)、需要整體高溫加熱以及氮化過程中整體氣氛要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，致使氮化效率不高，尤其是對大尺寸部件應(yīng)用困難等。針對這一問題，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，人們又提出了激光氣體氮化技術(shù)，該技術(shù)是一種局部強(qiáng)化技術(shù)，通過高溫下激光熔池中的液態(tài)鈦與周圍氣氛中的氮發(fā)生反應(yīng)獲得高硬度的含氮增強(qiáng)相實現(xiàn)強(qiáng)化。該技術(shù)具有不需要整體高溫加熱、硬化深度大(數(shù)十微米到數(shù)百微米)、僅需局部氣氛保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此引起了廣泛的興趣。但其參加反應(yīng)的氮含量難以精確控制導(dǎo)致高的裂紋敏感性、強(qiáng)化層內(nèi)存在不利于性能改善的粗大枝晶相(尺寸一般在數(shù)微米到數(shù)十微米)以及表面粗糙等問題，極大的限制了該技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。因此目前工業(yè)上急需一種既能夠發(fā)揮表面高硬度強(qiáng)化層高強(qiáng)度特性，又能夠兼顧長期穩(wěn)定工作的鈦合金表面氮化強(qiáng)化技術(shù)。
[0003]針對傳統(tǒng)激光氮化技術(shù)存在的問題，這里提出了一種新的、具有氮含量高度可控的鈦合金表面激光納米氮化處理技術(shù)。
(三)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金表面的新型激光納米氮化復(fù)合涂層，在提高鈦合金表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強(qiáng)化層厚度，從而有利于長期穩(wěn)定工作。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其制備方法包括如下步驟:
[0007]( I)對鈦合金表面待處理區(qū)域進(jìn)行表面清潔處理；
[0008](2)在步驟(I)處理后的鈦合金表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，根據(jù)表面幾何構(gòu)形進(jìn)行激光輻照，在激光作用過程中采用保護(hù)性氣氛對激光作用區(qū)進(jìn)行保護(hù)，從而在鈦合金表面獲得強(qiáng)化涂層；所述特殊增強(qiáng)材料粉末是下列三類物質(zhì)的混和粉末:①Ti單質(zhì)、②合金、③含氮化合物，所述的合金選自下列任意幾種金屬形成的合金:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，所述的含氮化合物為在500?4000°C能夠參加熔池反應(yīng)并提供N元素的化合物；以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物質(zhì)量為100%計，其中Ti的質(zhì)量百分比在40?90%之間，合金的質(zhì)量百分比在O?16%之間，含氮化合物的質(zhì)量百分比在0.5?15%之間，并且粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比蘭50%。
[0009]本發(fā)明所述的具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，包括致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和界面過渡層，均不含大尺度枝晶增強(qiáng)相，兩涂層是在激光處理過程中一次性獲得。激光在基體表面作用過程中作用區(qū)域表面發(fā)生熔化，Ti與含氮化合物進(jìn)行溶解反應(yīng)，并在后續(xù)凝固過程中通過自生反應(yīng)析出，形成致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層，致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層具有粒徑< 50nm的超細(xì)納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)特征，顯微觀察呈織構(gòu)狀形態(tài)，其厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同一般>700 μ m ;界面過渡層位于致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和鈦合金基體之間，厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同一般介于100-600 μ m之間，其與致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。
[0010]下面對技術(shù)方案做具體說明。
[0011]本發(fā)明步驟(I)中，所述的表面清潔處理即為常規(guī)的除油、除銹等清潔處理。
[0012]本發(fā)明步驟(2)中預(yù)置的材料為特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑，所述特殊增強(qiáng)材料粉末中，單質(zhì)Ti主要起基相作用，合金兼具基相和強(qiáng)化作用，可選自下列任意幾種的組合:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，優(yōu)選所述合金為Al、V、Mo和Zr的組合，其中Al、V、Mo和Zr的質(zhì)量比為1:0.05?0.95:0.05?0.45:0.05?0.55 ;或優(yōu)選所述合金為A1、V和Mo的組合，其中Al、V和Mo的質(zhì)量比為1:0.10?0.76:0.05?0.35 ;或者優(yōu)選所述合金為Al和V的組合，其中Al和V的質(zhì)量比例為1:0.45?0.85。在配制混和粉末過程中，除可將T1、合金和含氮化合物直接混和外，為進(jìn)一步提高混和的均勻性，還可以先將單質(zhì)Ti和合金按照上述成份范圍制成預(yù)制粉末，然后再與含氮化合物混和。含氮化合物主要起強(qiáng)化作用，可以是TiN、BN、Ti(C，N)等。本發(fā)明預(yù)置的材料中加入粘結(jié)劑可以提高特殊增強(qiáng)材料粉末的附著能力，粘結(jié)劑可選自下列一種或任意幾種的組合:膠水、香蕉水、纖維素或環(huán)氧樹脂等。
[0013]本發(fā)明步驟(2)預(yù)置的特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計，優(yōu)選其中Ti的質(zhì)量百分比為51?90%，合金的質(zhì)量百分比為3?14%，含氮化合物的質(zhì)量百分比為I?12.8 %，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為5?40 %。更優(yōu)選Ti的質(zhì)量百分比為59?85.5%，合金的質(zhì)量百分比為3.5?13.5%，含氮化合物的質(zhì)量百分比為I?11%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為10?30%。
[0014]本發(fā)明在表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑后，根據(jù)表面幾何構(gòu)形選擇一定經(jīng)整形后的光束進(jìn)行激光處理，所述的經(jīng)整形后的光束為圓形光斑或環(huán)形光斑光束。米用圓形光斑時，焦點(diǎn)處光斑直徑在0.5mm?60mm之間；米用環(huán)形光斑時，焦點(diǎn)處光斑內(nèi)直徑不小于0.5mm,外直徑不大于60mm。所述的激光處理的工藝參數(shù)推薦如下:
[0015]采用激光輻照時，激光功率彡300W，激光功率密度彡104W/cm2，掃描速度彡0.0lm/min，多道掃描時搭接量5?90 %;進(jìn)一步，優(yōu)選激光功率600?2500W，激光功率密度14?106W/cm2，掃描速度0.05?0.8m/min，多道掃描時搭接量10?30% ;
[0016]本發(fā)明激光處理過程中的保護(hù)性氣氛推薦為惰性氣體氣氛，如氬氣、氦氣等。
[0017]本發(fā)明所述的復(fù)合涂層，具有低倍下呈微觀織構(gòu)特征、高倍下呈納米尺度顆粒密堆特征的兩級精細(xì)結(jié)構(gòu)，激光強(qiáng)化層內(nèi)不含大尺寸(微米量級)枝晶狀強(qiáng)化相。本發(fā)明可以通過如下步驟形成更大厚度的復(fù)合涂層:在上述步驟(2)獲得的強(qiáng)化涂層表面通過激光熔覆或電子束沉積或堆焊的方式制備一層不含增強(qiáng)成分的純鈦或鈦合金基底層，然后在其上重復(fù)步驟(I)和步驟(2)的操作，從而可在鈦合金表面形成包含多個復(fù)合涂層形成“硬一軟一硬”多層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0019]1.采用本方法能夠有效的控制參加反應(yīng)的N以及其它強(qiáng)化成分的含量，解決了傳統(tǒng)激光表面氮化過程中參加反應(yīng)的強(qiáng)化成分含量難以精確控制的難題；
[0020]2.本發(fā)明的多級精細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化涂層能提高鈦合金表面硬度，且強(qiáng)化層厚度大，硬度呈梯度分布，增強(qiáng)相尺寸細(xì)小，不存在易導(dǎo)致裂紋的粗大的微米和/或十微米量級TiN枝晶，從而有利于涂層長期穩(wěn)定工作；
[0021]3.該復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層工藝簡單，可靠性好，易于獲得，不需要復(fù)雜的氣氛保護(hù)，僅在大氣條件下采用Ar、He等惰性氣體進(jìn)行局部保護(hù)即可獲得高質(zhì)量復(fù)合結(jié)構(gòu)多層強(qiáng)化層；
[0022]4.通過變化不同工藝參數(shù)與表面施涂材料，可以獲得不同表面硬度與綜合性能的夾心結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同的表面強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域，適用面廣。
(四)

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1制得的強(qiáng)化涂層的致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層的微觀織構(gòu)顯微照片。
[0024]圖2為實施例1制得的強(qiáng)化涂層的致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層的顯微織構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為實施例1制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
[0026]圖4為實施例2制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
[0027]圖5為實施例3制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度圖。
(五)

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此:
[0029]實施例中選用的鈦合金基體牌號為TC4，首先進(jìn)行除油、除銹等表面清理，然后將待加工表面預(yù)磨至600#砂紙,清洗并烘干。
[0030]實施例1:
[0031]1.強(qiáng)化表面預(yù)涂專用增強(qiáng)材料，成分為:Ti73%、合金(Al:V = 1:0.65)8.1 %、TiN8.9 %，其余為粘結(jié)劑(502膠水:香蕉水:E-44型環(huán)氧樹脂=1:2:1)。
[0032]2.激光處理，激光功率2000W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
[0033]如圖3所不，工件表面1.5mm范圍內(nèi)可獲得復(fù)合強(qiáng)化層,其中表面最大硬度大于380HV，涂層內(nèi)硬度在350?380HV之間并呈梯度下降趨勢，復(fù)合強(qiáng)化層有效強(qiáng)化深度(以彡350HV計)大于0.8mm。
[0034]實施例2:
[0035]1.強(qiáng)化表面預(yù)涂專用增強(qiáng)材料，成分為:Ti72%、合金(Mo:A1:V = I:8:1)8%,BNl.6%，其余為粘結(jié)劑(502膠水:香蕉水:E-44型環(huán)氧樹脂=1:2:1)。
[0036]2.激光處理，激光功率1200W，光斑直徑4mm，掃描速度0.2m/min,搭接量20%，采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
[0037]如圖4所不，工件表面1.5mm范圍內(nèi)可獲得復(fù)合強(qiáng)化層,其中表面最大硬度大于480HV，基底硬化層硬度在350?480HV之間并呈梯度下降趨勢，復(fù)合強(qiáng)化層有效強(qiáng)化深度(以彡350HV計)大于0.8mm。
[0038]實施例3:
[0039]1.強(qiáng)化表面預(yù)涂專用增強(qiáng)材料，成分為:單質(zhì)73%、合金(Al:V= 1:0.65)8.1%,Τ?Ν8.9 %，其余為粘結(jié)劑(502膠水:香蕉水:E-44型環(huán)氧樹脂=1:2:1)。
[0040]2.激光處理，激光功率2000W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
[0041]3.強(qiáng)化表面預(yù)置純鈦材料，成分為:純Ti80%，其余為粘結(jié)劑(502膠水:香蕉水:E-44型環(huán)氧樹脂=1:2:1)。
[0042]4.激光處理，激光功率2300W，光斑直徑3.5mm，掃描速度180mm/min，搭接量10%，
采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
[0043]5.重復(fù)上述步驟1-4計3次。
[0044]如圖5所示，距表面3.6mm范圍內(nèi)可獲得具有“硬一軟一硬”相間的多層夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合強(qiáng)化層，其中表面最大硬度大于500HV，涂層內(nèi)硬度軟硬相間變化，并呈梯度下降趨勢，復(fù)合強(qiáng)化層有效強(qiáng)化深度(以彡350HV計)大于3mm。
【權(quán)利要求】
1.一種具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其制備方法包括如下步驟: (1)對鈦合金表面待處理區(qū)域進(jìn)行表面清潔處理； (2)在步驟(I)處理后的鈦合金表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，根據(jù)表面幾何構(gòu)形進(jìn)行激光輻照，在激光作用過程中采用保護(hù)性氣氛對激光作用區(qū)進(jìn)行保護(hù)，從而在鈦合金表面獲得強(qiáng)化涂層；所述特殊增強(qiáng)材料粉末是下列三類物質(zhì)的混和粉末:①Ti單質(zhì)、②合金、③含氮化合物，所述的合金選自下列任意幾種金屬形成的合金:W、Mo、V、Al、Zr、Cr、N1、Fe，所述的含氮化合物為在500?4000°C能夠參加熔池反應(yīng)并提供N元素的化合物；以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物質(zhì)量為100%計，其中Ti的質(zhì)量百分比在40?90%之間，合金的質(zhì)量百分比在O?16%之間，含氮化合物的質(zhì)量百分比在0.5?15%之間，并且粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比蘭50%。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計，其中Ti的質(zhì)量百分比為51?90%，合金的質(zhì)量百分比為3?14%，含氮化合物的質(zhì)量百分比為I?12.8%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為5?40%。
3.如權(quán)利要求2所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計，其中單質(zhì)的質(zhì)量百分比為59?85.5%，合金的質(zhì)量百分比為3.5?13.5%，含氮化合物的質(zhì)量百分比為I?11%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為10?30%。
4.如權(quán)利要求1?3之一所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:所述的含氮化合物為下列一種或任意幾種的組合:TiN、BN、Ti (C，N)。
5.如權(quán)利要求1?3之一所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:所述合金為Al、V,Mo和Zr的組合，其中Al、V、Mo和Zr的質(zhì)量比為1:0.05?0.95:0.05?0.45:0.05?0.55 ;或者所述合金為Al、V和Mo的組合，其中Al、V和Mo的質(zhì)量比為1:0.10?0.76:0.05?0.35 ;或者所述合金為Al和V的組合，其中Al和V的質(zhì)量比為1:0.45?0.85。
6.如權(quán)利要求1?3之一所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:在配制特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物時，先將Ti單質(zhì)和合金制成預(yù)制粉末，然后再與含氮化合物混和，或者將Ti單質(zhì)與合金和含氮化合物三者直接混和。
7.如權(quán)利要求1?3之一所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:所述的粘結(jié)劑為膠水、香蕉水、纖維素或環(huán)氧樹脂。
8.如權(quán)利要求1?3之一所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:根據(jù)表面幾何構(gòu)形選擇一定經(jīng)整形后的光束進(jìn)行激光處理，所述的經(jīng)整形后的光束為圓形光斑或環(huán)形光斑光束；米用圓形光斑時，焦點(diǎn)處光斑直徑在0.5mm?60mm之間；米用環(huán)形光斑時，焦點(diǎn)處光斑內(nèi)直徑不小于0.5mm，外直徑不大于60mm ;所述的激光處理的工藝參數(shù)如下:采用激光連續(xù)輻照，激光功率彡300W，激光功率密度彡104W/cm2，掃描速度彡0.0lm/min，多道掃描時搭接量5?90%。
9.如權(quán)利要求8所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:所述的激光處理的工藝參數(shù)如下:采用激光連續(xù)輻照，激光功率600?2500W，激光功率密度14?106W/cm2，掃描速度0.05?0.8m/min,多道掃描時搭接量10?30%。
10.如權(quán)利要求1所述的鈦合金激光強(qiáng)化涂層，其特征在于:所述的具有自生納米顆粒增強(qiáng)的鈦合金激光強(qiáng)化涂層包括致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和界面過渡層，均不含大尺度枝晶狀增強(qiáng)相，所述致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層具有粒徑< 50nm的超細(xì)納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)特征，顯微觀察呈織構(gòu)狀形態(tài)，其厚度>700 μ m ;界面過渡層位于致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層和鈦合金基體之間，厚度介于100-600 μ m之間；界面過渡層與致密納米尺度顆粒增強(qiáng)層之間的硬度過渡為梯度過渡，與鈦合金基體之間的硬度過渡也為梯度過渡。
【文檔編號】C23C24/10GK104513979SQ201310455692
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王維夫, 胡霄樂 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)