[發明專利]一種用于鈦合金表面獲得高適配耐磨鈦基復合材料的方法

無效

• 申請號: 200610113081.1
• 申請日: 2006-09-08
• 公開（公告）號: CN101139709A
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 張永忠;席明哲;石力開;蔡利芳
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 耿小強

技術領域

本發明涉及一種用于鈦合金表面獲得高適配耐磨鈦基復合材料的方法，屬于金屬材料的表面改性領域。

背景技術

鈦及鈦合金因具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及良好的高溫力學性能，在航空、航天、艦艇、兵器、石油、化工、醫療等領域得到應用。但由于鈦合金存在本身硬度低、耐磨性差、摩擦系數大且不穩定等缺點限制了更廣泛的應用。純鈦的硬度約為150-200HV，鈦合金在硬度一般低于350HV。針對鈦合金耐磨性差的缺點，發展了多種鈦合金的表面改性技術。早期的研究主要包括電鍍、熱擴散、熱氧化、PVD、CVD等傳統表面技術。近年來，隨著新技術的不斷出現，微弧氧化、等離子噴涂、超音速噴涂、離子注入、電子束沉積、激光氮化、雙層輝光離子滲等現代表面技術，以及結合多種表面技術和膜層結構設計的新技術均應用到鈦合金表面改性的研究中。這些技術在改善鈦合金的摩擦磨損性能方面取得了顯著效果，但是，將這些表面技術在應用到承受沖擊振動載荷、熱疲勞環境時，普遍存在著或涂覆層薄，或抗沖擊性能差，或與基體材料結合弱等缺點，需要開發在鈦合金表面制備耐磨性高、與基體結合好、高適配的表面改性層。

激光熔覆技術通過在基體材料表面熔化沉積一層外加的材料，同時基體表面一薄層發生熔化，實現熔覆層與基體的冶金結合，熔覆層的組織和性能可通過熔覆材料的選擇和工藝的調整來進行控制。激光熔覆與其它工藝技術相比具有如下特點和優勢：1.光斑尺寸可以在較寬的范圍進行調節(0.5mm至幾個mm)，可以實現高精度的熔覆沉積，材料利用率高；2.熔覆層的厚度可以在0.1mm至2-3mm之間變化，并可通過多層熔覆實現厚涂層的制備；3.能量集中(達10⁵～10⁸W/cm²)，對基體的熱輸入小，熔覆層稀釋率低，對基體的熱影響和變形小；4.激光熔覆涂層與基體為完全冶金結合，結合強度高；5.熔覆過程是一快速凝固過程(10⁴～10⁶℃/s)，熔覆層的組織完全致密、無氣孔，組織細小，具有高的硬度；6.激光熔覆的自動化程度高。

目前鈦合金表面激光熔覆的材料體系主要采用預先鋪置SiC、TiC、NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co及不同比例的Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si元素粉以及同步輸送的WC等。預先鋪粉方法一般只適合在材料表面熔覆一層材料，熔覆層厚度受到限制，粉末如鋪置太厚，熔覆時很難保證涂層與基體的冶金結合和良好的涂層性能；直接在鈦合金表面激光熔覆SiC、TiC及WC所形成的涂層較脆、易產生裂紋；激光熔覆NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co、Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si等會在涂層中生成較大量的脆性金屬間化合物相，涂層韌性較差；這些熔覆涂層在提高材料的表面硬度和耐磨性方面具有較好的作用，但由于涂層韌性較低，與基體材料的熱物理性能相差較大，不能滿足飛機發動機零件所承受的沖擊振動載荷及熱疲勞條件下的使用要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種表面具有很好的抗沖擊載荷及熱疲勞性能，并且與鈦合金基體適配性高的耐磨鈦基復合材料的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案達到的：

一種用于鈦合金表面獲得高適配耐磨鈦基復合材料的方法，其特征在于：通過激光熔覆，在激光熔池中發生原位反應，在鈦合金表面獲得原位析出相增強的鈦基復合材料熔覆層。

一種優選技術方案，其特征在于：所述原位反應是鈦合金粉末顆粒與TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C顆粒在激光熔池中反應生成TiC或TiB增強相。

一種優選技術方案，其特征在于：所述激光熔覆是用鈦合金粉末顆粒與TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C顆粒的混合粉末，混合粉末中TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C顆粒在總顆粒中所占的體積比為3.4-30％。

一種優選技術方案，其特征在于：所述鈦合金粉末顆粒的成分與待熔覆基體材料的成分一致或不一致。

一種優選技術方案，其特征在于：所述鈦合金粉末顆粒為球形，粒度為45～150μm；所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C顆粒為多角形，粒度為38～106μm。