一種鈦合金表面多元激光合金化層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦合金表面多元激光合金化層及其制備方法，以鈦合金為基體材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作為涂層材料涂覆在鈦合金表面，利用激光掃描同時吹送氮氣進行合金化制得，涂層材料的質(zhì)量百分比為B4C粉末10～90％、石墨粉10～90％、Ti粉0～50％、Y2O30～4％。本發(fā)明在開放的N2環(huán)境下采用B4C和石墨粉在鈦合金表面進行硼-碳-氮多元復合激光合金化，制備出高硬度、耐磨復合陶瓷涂層。Ti粉和稀土氧化物Y2O3的同時添加有利于提高合金化層的顯微硬度與耐磨性，適量的Ti可以促進合金化層中的原位反應，而Y2O3則會細化組織，提高涂層的綜合力學性能。
【專利說明】一種鈦合金表面多元激光合金化層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金表面涂層及其制備，屬于材料表面處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]由于具有比強度高、耐熱、耐腐蝕以及良好的低溫性能等優(yōu)點，鈦及鈦合金被廣泛應用于航空航天、石油化工、機械、冶金、醫(yī)療等領域。但是鈦合金硬度低、耐磨性差，特別是微動磨損和粘著磨損問題難以解決，不宜用于制造機械產(chǎn)品中的傳動件，限制了鈦合金更廣泛的應用。因此，如何提高鈦合金的表面硬度和耐磨性能，擴大其應用范圍，引起了國內(nèi)外材料領域研究人員的廣泛關注。除改進合金的成分和制備工藝外，對鈦合金進行表面改性是進一步提高鈦合金的耐磨性、抗高溫氧化性以及耐腐蝕性等表面性能最經(jīng)濟而有效的方法。
[0003]鈦合金表面改性技術中，傳統(tǒng)的化學熱處理方法如氣體滲氮、滲碳、碳氮共滲、滲硼等，可顯著提高耐磨、耐蝕及高溫抗氧化等性能，但多數(shù)方法存在加熱溫度高(700~IOO(TC)、熱處理周期長、滲層薄、組織控制困難、易引起工件變形、晶粒粗大、局部表面處理困難等問題。火焰噴涂和等離子噴涂具有沉積速度快、生產(chǎn)效率高、適用范圍廣等優(yōu)勢，是目前國內(nèi)外常用的金屬表面陶瓷涂層技術，但存在涂層與基體多為機械結合，結合強度低、容易開裂或剝落等缺點。離子注入技術雖能有效地提高鈦合金的耐磨性，但其注入層的厚度僅能達到微米級，而且需要在真空下進行，也限制了大尺寸工件的處理。激光光源由于具有亮度高、方向性強、單色性和相干性好等特點而被廣泛應用于表面處理技術。激光表面合金化克服了以往表面改性技術的某些缺點，能夠在鈦合金基體表面獲得具有高硬度與耐磨性、良好耐熱與耐蝕性的復合陶瓷涂層，實現(xiàn)了涂層與基體的冶金結合，結合強度高，從而使鈦合金零部件的使用壽命得以顯著提高，因而越來越多的應用于鈦合金表面改性領域。
[0004]激光表面合金化按照所添加材料的性質(zhì)可分為兩大類，即氣體合金化和粉末合金化。采用合理的激光工藝參數(shù)有利于在工件表面產(chǎn)生較大的殘余壓應力值，降低合金化層的裂紋敏感性，從而提高材料的耐磨性、疲勞壽命和工作的可靠性，但對于工藝參數(shù)的具體選擇并非簡單的增加或降低規(guī)律。增大激光功率，減小氮氣流量，有助于降低熔池的冷卻速度和熔池內(nèi)的溫度梯度，從而縮小殘余熱應力，減少熔池的開裂傾向；同時較高激光功率下生成的致密TiN枝晶組織有利于增加氮化層表面的殘余壓應力。但是激光功率過高將導致氮化層中脆性相過多和枝晶組織的粗化而產(chǎn)生裂紋。掃描速度的增加也會增大合金化層的殘余應力從而引起開裂，這是因為較快的掃描速度可使激光與材料的交互作用時間縮短，從而使溫度梯度增大，合金化層中產(chǎn)生的熱應力也隨之增大。綜上所述，鈦合金激光表面氮化時各激光工藝參數(shù)對氮化層性能的影響并不是單一的、相互孤立的，而是相互作用，相互影響，只有實現(xiàn)激光功率、掃描速度以及氮氣流量等工藝參數(shù)的優(yōu)化組合，才可在鈦合金表面獲得性能優(yōu)異、厚度均勻而裂紋少的氮化層。
[0005]盡管鈦合金激光表面改性技術已在各種不同領域中得到廣泛關注與應用，但激光合金化工藝和理論 的研究都尚不成熟，且大功率激光加工設備的穩(wěn)定性與配套性都尚未達到工業(yè)生產(chǎn)的應用水平，仍有很多問題亟待解決。如何減小激光表面合金化層殘余內(nèi)應力及裂紋、提高激光合金化工藝結果尤其是采用陶瓷粉末進行激光合金化處理結果的可重復性，是今后鈦合金表面激光合金化研究的重點。應考慮的問題如下:
[0006](I)基體材料對合金粉末的選擇性
[0007]確定合適的預置合金化粉末需要從三個方面進行考慮:1)所需要滿足的使用性能，主要是硬度、耐蝕性、耐磨性、抗氧化性等方面的具體要求；2)基體材料和合金化材料的物理性能差異及相互作用特征，如溶解形成化合物的可能性、浸潤性、線膨脹系數(shù)、熱導率等，以保證獲得滿意的合金化效果。一般希望合金化層與基體之間能夠形成強度較高的冶金結合，并保證合金化層的韌性、抗彎曲、抗壓等性能。3)經(jīng)濟性，合金化處理的一個重要目的就是降低成本，因此在選擇合金化材料是必須要考慮其價格和利用率等經(jīng)濟成本因素。
[0008](2)合金化層的成分控制
[0009]激光熔化過程中各元素燒損系數(shù)的系統(tǒng)測定及元素溶入量的精確控制問題目前尚未解決。另外，用于激光合金化的自動送料裝置亦尚不完善，這也給合金成分的精確控制帶來一定困難。在激光合金化過程中，如果工藝條件控制不嚴格將容易造成合金元素的燒損，這將導致合金化層內(nèi)合金元素分布不均勻的現(xiàn)象。
[0010](3)合金化層的裂紋、孔洞及表面不平度
[0011]激光合金化時在激光束作用下表層的金屬經(jīng)歷了一個快速熔凝的過程，材料的表面發(fā)生了化學成分、組織結構和性能的一系列變化，合金層內(nèi)部或在與基體的界面結合處容易出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，而合金化層表面則出現(xiàn)不同程度的凹凸不平現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是克服上述不足而提供了一種鈦合金表面多元激光合金化層及其制備方法，利用激光合金化技術在鈦合金表面制備出多元強化的復合陶瓷涂層。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
[0014] —種鈦合金表面多兀激光合金化層,它以鈦合金為基體材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作為涂層材料涂覆在鈦合金表面，利用激光掃描同時吹送氮氣進行合金化制得，涂層材料的質(zhì)量百分比為B4C粉末10~90%、石墨粉10~90%、Ti粉
O~50%, Y2O3O ~4%。
[0015]所述的涂層材料的質(zhì)量百分比優(yōu)選為=B4C粉末40~80%、石墨粉10~50%、Ti粉5~45 %、Y2O30.5~4.0 %。進一步優(yōu)選為:B4C粉末40~60 %、石墨粉30~50 %、Ti粉 10 ~40%, Y2O30.5 ~1.5%。
[0016]上述的B4C粉末與石墨粉的質(zhì)量比優(yōu)選為1-2: I。所述的Ti粉與Y2O3的質(zhì)量比優(yōu)選30:1。
[0017]所述的B4C粉末粒度為150 μ m~250 μ m,石墨粉50 μ m~100 “111,1';[粉50 41]1~150 μ m，Y2O3的粒度均為IOym~200nm，采用材料的純度均高于99.5%，氮氣純度高于99.9%。
[0018]上述的鈦合金表面多元激光合金化層的制備方法，包括步驟如下:
[0019](I)將鈦合金板材切割成塊狀試樣表面去氧化處理并清洗、吹干；[0020](2)將B4C粉末、石墨粉、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末加水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀，將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金基體上，保持厚度均勻，自然風干；
[0021](3)采用連續(xù)激光器對試樣進行掃描，掃描過程中吹送氮氣作為合金化的氮源同時保護熔池及激光器鏡筒，掃描功率為800~1200W，光斑直徑為3.5~4_，掃描速度為
2.5~7.5mm/s，氮氣氣壓保持在0.2~0.6MPa。
[0022]上述步驟(2)水玻璃溶液中水玻璃與蒸餾水體積比=1: 3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴。
[0023]所述的鈦合金優(yōu)選T1-6A1_4V鈦合金。
[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025]本發(fā)明在開放的N2環(huán)境下采用B4C和石墨粉在鈦合金表面進行硼-碳-氮多元復合激光合金化，制備出以Tic、TiN, TiB, TiB2和Ti (CN)等陶瓷硬質(zhì)相為主要強化相，以TiAUTi3Al和Al3Ti等金屬間化合物為輔助強化相的高硬度、耐磨復合陶瓷涂層，涂層與基體間形成了良好的冶金結合。
[0026]合金化材料中的B4C可以作為B源和C源，在合金化過程中可以與進入熔池中的Ti發(fā)生原位反應，生成TiB、TiB2和TiC等陶瓷相。因為B4C中的B、C比為4:1，為了協(xié)調(diào)B、C比，故添加一定質(zhì)量配比的石墨，調(diào)整合金化層中的硼化物、碳化物的比例，使其在生長過程中相互牽制，避免組織過分粗大。此外，添加的石墨如果在合金化層中存在微量殘留，可以起到一定的減 摩作用。同步吹送的N2可以作為N源，在合金化過程中與Ti生成TiN，與上述的T1-B、T1-C化合物一起存在于合金化層中，形成復合強化組織，通過對合金化過程中N2氣壓的調(diào)整，可以改善合金化層中氮化物的含量與分布。另外，同步吹送的氮氣可以起到保護熔池的作用，替代常用的氬氣保護氣，降低成本。T1-6A1-4V合金經(jīng)本發(fā)明在開放的N2環(huán)境下采用B4C和石墨粉激光合金化后顯微硬度約為基體硬度(320~360HVa2)的3~4倍；所加載荷為5kg時,50分鐘的磨損失重約為基體的1/3~1/4,磨損機制為微觀剝落及犁溝磨損。
[0027]本發(fā)明在合金化材料中引入適量的Ti，一方面Ti粉與基體鈦合金的潤濕性較好，可在一定程度上抑制合金化表層的開裂或裂紋；另一方面，粉末狀的Ti可以促進熔池中的原位反應，使Ti能夠充分與預置涂層中的B4C和C以及同步吹送的N2充分發(fā)生反應，生成TiB2, TiN、TiC、Ti (CN)等硬質(zhì)相，提高其表面硬度，改善激光合金化的工藝質(zhì)量。
[0028]適量稀土氧化物Y2O3可起到明顯的細化晶粒的作用，從而獲得組織致密、硬度及耐磨性較高的合金化層。激光合金化過程中，部分Y2O3會分解為Y與02。稀土元素Y可以吸附在晶界，阻礙晶界移動，還能減小液態(tài)金屬的表面張力和臨界形核半徑，提高形核率，從而細化組織。部分未發(fā)生分解的Y2O3可以作為異質(zhì)形核核心，提高形核率，部分細小Y2O3顆粒還會阻礙晶體的生長。雖然大量Y2O3的加入能夠提高合金化層的硬度，但會增加合金化層的脆性，不利于其耐磨性的提高。Ti粉和稀土氧化物Y2O3的同時添加有利于提高合金化層的顯微硬度與耐磨性，適量的Ti可以促進合金化層中的原位反應，而Y2O3則會細化組織，提高涂層的綜合力學性能，研究表明，添加30wt.% Ti粉與lwt.% Y2O3顯微硬度范圍在1196-1452HVa2，約為Ti_6Al_4V合金基體硬度的4倍，并表現(xiàn)出更好的耐磨性，磨損50min時的失重約為單一 B-C-N多元合金化層失重的1/2。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1實施例1不同配比粉末激光合金化試樣的X射線衍射圖譜；
[0030]圖2實施例1粉末質(zhì)量配比不同時激光合金化試樣合金化區(qū)形貌；
[0031]圖3實施例1不同配比試樣的硬度分布曲線；
[0032] 圖4實施例1激光合金化層磨損失重量與時間的關系；
[0033]圖5實施例2不同氮氣壓力下激光合金化試樣的宏觀形貌；
[0034]圖6實施例4T1-B-C_N多元激光合金化層的X射線衍射圖(添加30wt.% Ti)；
[0035]圖7實施例4不同鈦含量的合金化層的X射線衍射圖(B4C: G = I: I)；(a) IOwt.% Ti ； (b) 20wt.% Ti ； (c) 40wt.% Ti ； (d) 50wt.% Ti ；
[0036]圖8實施例4不同含Ti量試樣合金化層的組織(B4C: G = 2: I) ； (a) 20wt.%Ti ； (b) 30wt.% Ti ; (c) 40wt.% Ti ； (d) 50wt.% Ti ；
[0037]圖9實施例4不同含Ti量試樣合金化層的組織(B4C: G = I: I) ； (a) 20wt.%Ti ； (b) 30wt.% Ti ; (c) 40wt.% Ti ； (d) 50wt.% Ti ；
[0038]圖10實施例4B4C: G = I: I的試樣添加10~50wt.% Ti粉時的顯微硬度；
[0039]圖11實施例4不同含Ti量的激光合金化層磨損失重量隨時間的變化；
[0040]圖12實施例5添加不同含量Y2O3的試樣合金化層的XRD結果；(a)B4C: G =2: I, lwt.% Y2O3 ；(b)B4C: G = 2:1, 3wt.% Y2O3 ；(c)B4C: G=1:1, lwt.% Y2O3 ； (d)B4C: G = I: I, 3wt.% Y2O3 ；
[0041]圖13實施例5添加Y2O3的試樣宏觀表面形貌；(a) lwt.% Y2O3 ； (b) 2wt.% Y2O3 ；(c) 3wt.% Y2O3 ；
[0042]圖14實施例5添加I~3wt.% Y2O3時的合金化層SEM結果；(a)合金化層底部，無m;
[0043](b)合金化層底部，lwt.% Y2O3 ；
[0044](c)合金化層底部，2wt.% Y2O3 ； (d)合金化層底部，3wt.% Y2O3 ；
[0045](e)合金化層中部，2wt.% Y2O3 ； (f)合金化層上部，2wt.% Y2O3 ；
[0046]圖15實施例5未添加及添加lwt.% Y2O3的合金化層組織；(a)，(c)，(e):未添加Y2O3的合金化層下部、中部、上部；
[0047](b), (d), (f):添加lwt.% Y2O3的合金化層下部、中部、上部；
[0048]圖16實施例5Y203含量不同時各試樣的顯微硬度分布曲線；
[0049]圖17實施例5不同Y2O3含量的合金化層磨損失重量隨時間變化的曲線；
[0050]圖18實施例6合金化層的XRD分析結果；
[0051 ] 圖19實施例6添加30wt.% Ti和lwt.% Y2O3試樣的高分辨透射電鏡條紋晶格相
[0052]圖20實施例6合金化層的SEM結果；(a)界面結合處；(b)合金化層底部；(C)合金化層中部；(d)合金化層上部；
[0053]圖21實施例6合金化層EDS分析結果；
[0054]圖22實施例6不同涂層粉末成分的試樣合金化層的SEM結果；(a)55T1-35B4C-10C ； (b) 53.5T1-35B4C-10C_l.5Y203 ；
[0055]圖23實施例6合金化層的顯微硬度分布；
[0056]圖24實施例6合金化層的磨損失重量隨時間的變化曲線?！揪唧w實施方式】
[0057]下面結合具體實施例進一步說明。
[0058]實施例中采用DMAX/2500PCX型X射線衍射儀(CuK α )對合金化層進行物相分析。被測試樣尺寸為IOmmX IOmmX 12mm,掃描電壓為40KV,電流為40mA,掃描速度為4° /min,步長0.02。，掃描區(qū)間為10~90。。利用Nikon EPIPH0T300型光學顯微鏡(OM)、JSM-6510型掃描電鏡(SEM)、S-3400N型掃描電鏡(SEM)、Hitachi SU-70型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)等手段觀察和分析合金化層的組織和形貌；利用掃描電鏡附帶的EDS附件對合金化層進行元素成分分析，進行成分分析的試樣只進行輕微腐蝕。
[0059]利用JEM-2100型高分辨透射電鏡(HR-TEM)分析激光合金化層中的物相結構。制備HR-TEM試樣時應將試樣沿合金化層表面縱向切成厚度0.2~0.3mm的薄片并用金相砂紙進一步研磨至0.1mm，再用GL-69D型離子減薄儀對薄片進行離子減薄直到穿孔。
[0060]采用萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的DHV-1000型號的顯微硬度計進行顯微硬度測試。設定載荷為200g，加載時間為10s。測量方式為從合金化層表面到基體材料內(nèi)部沿層深每隔一定的間隔在同一水平線上打三個點，讀出其顯微硬度值，取其平均值作為該深度的顯微硬度值。
[0061]采用MM200型磨損實驗機進行磨損試驗。磨輪材料為YG6硬質(zhì)合金，磨輪尺寸為Φ40Χ 12mm,載荷為5kg,轉(zhuǎn)速為400r/min。試驗中每隔IOmin記錄試樣磨損失重量,對不同試樣磨損的磨痕及其磨損失重量進行比較，分析經(jīng)過不同條件激光合金化處理后試樣的耐磨損性能。
[0062]實施例1
[0063]將鈦合金板材切割成塊狀試樣，利用砂紙將待處理表面的氧化皮清理干凈，經(jīng)無水丙酮、無水酒精清洗干凈，吹干后待用；將B4C粉末、石墨粉的混合粉末加水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀，水玻璃溶液中水玻璃與蒸餾水體積比=1: 3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴，將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金基體上，保持厚度均勻，自然風干；采用連續(xù)激光器對試樣進行掃描，掃描過程中吹送氮氣作為合金化的氮源同時保護熔池及激光器鏡筒。
[0064]選用B4C與石墨粉C質(zhì)量比分別為4: 1,2: 1,1: 1,1: 2,1: 4的混合粉末預置在T1-6A1-4V基體上進行激光合金化處理，采用的激光功率為1.0kff,掃描速度為5mm.s \ N2 壓力為 0.4MPa。
[0065]對制得的產(chǎn)品進行測試，X射線衍射(XRD)分析結果表明，鈦合金表面激光B-C-N多元合金化層中主要含有TiC、TiN、TiB、TiB2、Al3Ti和TiCa7Na3等強化相，如圖1所示。在激光合金化過程中，高能量密度的激光束作用在試樣表面，使預置粉末與基體表面層熔化，形成微小熔池，基體材料中的T1、Al等元素與預置粉末中的B4C和石墨以及同步吹送的N2在熔池中發(fā)生原位反應，生成上述強化相。
[0066]圖2為不同預置粉末配比的各試樣合金化區(qū)的組織形貌，隨著粉末配比B4C: G(G為石墨的英文Graphite簡寫，下同)的減小，合金化區(qū)的組織由板條狀逐漸向樹枝狀過渡。B4C含量越高(圖2(a)、(b))，板條狀組織的比例越大，樹枝晶的數(shù)量越少，當B4C: G=I: 4時，板條狀組織幾乎消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?。顯然，預置粉末中石墨含量越高，激光合金化后，熔池中原位反應后生成的TiC越多，而少量的TiB2并不能制約TiC的生長，故容易使TiC生長為較發(fā)達的樹枝晶，如圖2(c)、(d)所示。當B4C與石墨的質(zhì)量比為1: 4時，合金化層中的樹枝晶最粗大(圖2(d))。預置粉末中中B4C與石墨的比值越高，進入熔池中的B元素越多，反應生成的硼化物越多。當B4C與石墨的質(zhì)量比為4: I或1:1時，合金化層中部組織主要為板條狀組織，對其高倍組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)其組織為TiB2/TiC的鑲嵌組織，即在板條狀TiB2之間共生了一些顆粒狀和十字花瓣狀的TiC，如圖2(e)、(f)所示。相比而言，當B4C與石墨的質(zhì)量比為4: I時，板條狀組織更密集，呈現(xiàn)出團簇狀生長；當B4C與石墨的質(zhì)量比為1:1時，板條狀組織更為細小。
[0067]涂層粉末中B4C與石墨粉不同質(zhì)量配比的試樣顯微硬度如圖3所示，激光功率1.0kW,掃描速度5mm.s_1, N2壓力為0.4MPa。由圖可見,各試樣合金化層的顯微硬度均明顯高于基體硬度。B4C: G = 4: I的試樣合金化層顯微硬度最高，硬度最高值可達1200HVa2，合金化層厚度約為0.9mm。B4C: G = 2:1的試樣激光合金化層的顯微硬度范圍在1050~1180HV0.2,約為T1-6A1-4V基體硬度(320~360HVa2)的3~4倍；激光合金化層的厚度約為0.9mm,距離表層超過0.9mm后硬度顯著下降，距離表層0.9mm~1.1mm的區(qū)域為合金化層與基體之間的過渡區(qū)，隨距離增加硬度逐漸下降，至距表層距離為1.1mm處硬度約為370HVa2，相當于基體硬度。B4C: G=1:1的試樣激光合金化層的顯微硬度范圍在1000~1050HV0.2,約為T1-6A1-4V基體硬度(320~360HV0.2)的3倍；激光合金化層的厚度約為0.8mm，距離表層0.8mm~1.0mm的區(qū)域為過渡區(qū)，隨距離增加硬度逐漸下降至基體硬度。由于涂層粉末配比不同，激光合金化層的顯微硬度也不相同，隨著B4C與石墨粉質(zhì)量配比逐漸減小，合金化層顯微硬度也逐漸下降，B4C與石墨粉配比為2: I的試樣硬度高于配比為1:1的試樣硬度，B4C: G = 1: 2和比(::G = 1: 4的試樣合金化層顯微硬度僅為800~900HVa2，明顯低于其他三種配比合金化層的硬度。這是由于B4C與石墨粉質(zhì)量配比越大，激光合金化過程參與熔池反應的B元素含量越高，熔池冷卻凝固后析出的TiB、TiB2等硬質(zhì)陶瓷相增加，從而導致硬度的提高。
[0068]涂層粉末質(zhì)量配比分別為B4C: G= 1: 1和比(::G = 2:1的試樣激光合金化層磨損失重量隨時間變化的規(guī)律如圖4所示，激光功率為1.0kW，掃描速度為5mm.s—1，N2壓力為0.4MPa。由圖4可見，當所加載荷為5kg，時間為IOmin時，兩激光合金化層的磨損失重量均明顯低于鈦合金基體的磨損失重量，分別約為基體的1/2和1/3。經(jīng)50分鐘的磨損試驗后，B4C: G = 1:1的合金化層磨損失重量約為基體的1/3，B4C: G = 2: I的合金化層則顯示出較好的耐磨性，磨損失重量約為基體的1/4，這是由于涂層粉末質(zhì)量比B4C: G = 2:1的試樣合金化層中含有更多的硼化物硬質(zhì)相的緣故。試驗過程中激光合金化層的磨損失重量隨時間的變化曲線均比基體對應的曲線平緩，磨損量均勻緩慢增加，說明通過激光合金化處理后合金表面的耐磨性相對于基體有了明顯提高。
[0069]實施例2
[0070] 將鈦合金板材切割成塊狀試樣表面去氧化處理并清洗、吹干；將B4C粉末、石墨粉的混合粉末加水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀，水玻璃溶液中水玻璃與蒸餾水體積比=1: 3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴，將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金基體上，保持厚度均勻，自然風干；采用連續(xù)激光器對試樣進行掃描，掃描過程中吹送氮氣作為合金化的氮源同時保護熔池及激光器鏡筒。[0071]選用B4C與石墨粉C質(zhì)量比分別為2: I的混合粉末預置在T1-6A1_4V基體上進行激光合金化處理，采用的激光功率為1.0kff,掃描速度為5mm.s—1，N2壓力分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa。
[0072]研究表明，激光合金化過程中，氮氣的壓力(或流量)控制十分重要氮氣的流量控制至關重要，小的氮氣壓力不能達到保護熔池的目的，過大的氮氣壓力則會帶走較多的熱量，不利于激光氮化的順利進行。圖5為按照實施例1方法步驟制備，預置粉末的質(zhì)量配比為B4C: G = 2: 1，激光功率P = 1.0kW，掃描速度為V = 5mm.s—1時在不同N2壓力下激光合金化層的宏觀形貌。由圖可見，N2壓力對表面質(zhì)量有著較大影響。N2壓力為0.2MPa和0.4MPa的試樣表面質(zhì)量較好，而壓力為0.6MPa的試樣表面質(zhì)量最差，表面凹凸不平，呈現(xiàn)較大波紋狀起伏。這是因為在激光束移動輻照下，光束的前緣部分涂層開始產(chǎn)生熔化，而熔池的后緣部分則會產(chǎn)生對流，這一對流過程將使熔池后緣的液面產(chǎn)生凸起，由于冷卻速度快，這種凸起被“凍結”而形成波紋。另一方面，較大的氮氣氣流會對熔池造成強烈的攪拌作用，使熔池凝固后表面更加粗糙(圖5(c))。另外，當?shù)獨鈮毫^高時，較大的氣體流量對激光束下熔融的液滴有明顯的推動作用，從而使凝固后形成波紋起伏更加明顯，降低表面平整度。
[0073]實施例3
[0074]將鈦合金板材切割成塊狀試樣表面去氧化處理并清洗、吹干；將B4C粉末、石墨粉的混合粉末加水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀，水玻璃溶液中水玻璃與蒸餾水體積比=1: 3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴，將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金基體上，保持厚度均勻，自然風干；采用連續(xù)激光器對試樣進行掃描，掃描過程中吹送氮氣作為合金化的氮源同時保護熔池及激光器鏡筒。
[0075]對T1-6A1_4V合金進行激光合金化處理，氮氣壓力為0.4MPa，預置涂層粉末中B4C與石墨粉質(zhì)量比為2: I或1:1，不同激光工藝參數(shù)下獲得的合金化層。
[0076]表1激光合金化試驗工藝參數(shù)及表面質(zhì)量
【權利要求】
1.一種鈦合金表面多兀激光合金化層，其特征是，它以鈦合金為基體材料，以b4c、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作為涂層材料涂覆在鈦合金表面，利用激光掃描同時吹送氮氣進行合金化制得，涂層材料的質(zhì)量百分比為B4C粉末10~90%、石墨粉10~90%, Ti 粉 O ~50%、Y2O3O ~4%。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鈦合金表面多元激光合金化層，其特征是，所述的涂層材料的質(zhì)量百分比為=B4C粉末40~80%、石墨粉10~50%、Ti粉5~45%、Y2O30.5~4.0%。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種鈦合金表面多元激光合金化層，其特征是，所述的涂層材料的質(zhì)量百分比為=B4C粉末40~60%、石墨粉30~50%、Ti粉10~40%、Y2O30.5~1.5%。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種鈦合金表面多元激光合金化層，其特征是，B4C粉末與石墨粉的質(zhì)量比為1-2: I。
5.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種鈦合金表面多元激光合金化層，其特征是，所述的Ti粉與Y2O3的質(zhì)量比選30:1。
6.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種鈦合金表面多元激光合金化層，其特征是，所述的B4C粉末粒度為150 μ m~250 μ m，石墨粉50 μ m~100 μ m，Ti粉50 μ m~150 μ m，Y2O3的粒度均為10 μ m~200nm。
7.權利要求1-3任一項所述的鈦合金表面多元激光合金化層的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)將鈦合金板材切割成塊狀試樣表面去氧化處理并清洗、吹干； (2)將B4C粉末、石墨粉、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末加水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀，將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金基體上，保持厚度均勻，自然風干； (3)采用連續(xù)激光器對試樣進行掃描，掃描過程中吹送氮氣作為合金化的氮源同時保護熔池及激光器鏡筒，掃描功率為800~1200W，光斑直徑為3.5~4mm，掃描速度為2.5~7.5mm/s，氮氣氣壓保持在0.2~0.6MPa。
8.根據(jù)權利要求7所述的鈦合金表面多元激光合金化層的制備方法，其特征是，步驟(2)水玻璃溶液中水玻璃與蒸餾水體積比=1:3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴。
【文檔編號】C23C24/10GK103966598SQ201410220123
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權日:2014年5月22日
【發(fā)明者】于慧君, 李偉, 陳傳忠 申請人:山東大學