[發(fā)明專利]鈦合金表面反應(yīng)合成陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層及制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410594894.1
• 申請(qǐng)日: 2014-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN104451659A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宗德;王永田;劉姝女
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué);北京華電宏陽(yáng)科技有限公司
• 主分類號(hào): C23C24/10
• 分類號(hào): C23C24/10;C22C14/00
• 代理公司: 北京華誼知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈦合金表面反應(yīng)合成陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層及制備方法，利用激光熔覆法在鈦合金部件表面反應(yīng)合成TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層的粉末材料和制備工藝。

背景技術(shù)

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于國(guó)防與民用領(lǐng)域。但由于鈦合金存在摩擦系數(shù)高、對(duì)粘著磨損和微動(dòng)磨損非常敏感、耐磨性差及高溫抗氧化性差等缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用范圍。在保持鈦合金原有優(yōu)異性能的條件下，表面涂覆層技術(shù)是提高鈦合金表面耐磨性能的重要途徑。

TiC_x顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有密度低、耐磨性好、良好的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、民用制造等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法包括加入陶瓷顆粒和原位反應(yīng)合成陶瓷顆粒等兩種技術(shù)。在激光熔覆法制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料熔覆層的領(lǐng)域，反應(yīng)合成陶瓷顆粒技術(shù)與傳統(tǒng)加入陶瓷顆粒技術(shù)相比有如下特點(diǎn):(1)陶瓷相是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相,陶瓷顆粒表面無(wú)污染,避免了與基體相容性不良的問(wèn)題,界面結(jié)合強(qiáng)度高。(2)由于激光束光斑較小且能量密度有限，而TiC等陶瓷顆粒的熔點(diǎn)達(dá)3200℃，如采用外加陶瓷顆粒法，加入的陶瓷含量不能太高(一般外加陶瓷顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-30％)。采用反應(yīng)合成法時(shí)，陶瓷相在熔覆過(guò)程中生成，且為放熱反應(yīng)(例如Ti-C可在≤1000℃時(shí)發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng))；這樣，可利用較小功率激光束，形成高陶瓷相含量的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層。

鈦合金的耐磨性較差，對(duì)于在磨損、水蝕、高溫沖蝕環(huán)境下工作的鈦合金材料(如汽輪機(jī)末級(jí)葉片)，如何提高其表面耐磨性是工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。如果在鈦合金基體上制備具有冶金結(jié)合的高耐磨的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料熔覆層，就可使鈦合金部件在滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)韌性要求的同時(shí)，其表面具有高的耐磨性。

熱噴涂技術(shù)可用于在金屬基體上制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合涂層，但涂層存在結(jié)合強(qiáng)度較低(機(jī)械結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度一般≤50MPa)、涂層厚度一般小于500mm等局限性，涂層結(jié)合強(qiáng)度及厚度無(wú)法滿足一些嚴(yán)酷磨損工況下的耐磨要求。

激光熔覆技術(shù)為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)涂覆層制備技術(shù)之一，該技術(shù)具有高能量密度、稀釋度低、工件熱變形極小等特點(diǎn)。激光熔覆的涂層具有組織致密、無(wú)氣孔、無(wú)裂縫、與基體冶金結(jié)合、成分及厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)是其它表面技術(shù)難以具備的。

目前常用的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料體系主要有鎳基、鐵基、鋁基等，如采用上述體系的材料進(jìn)行激光熔覆，易產(chǎn)生如下問(wèn)題：(1)在熔覆過(guò)程中，被熔覆的Ni、Fe、Al在熔覆層與基體結(jié)合面處生成硬而脆的金屬間化合物(如Ti-Ni系、Ti-Fe系、Ti-Al系等)，此類金屬間化合物的形成導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度大幅度下降；(2)當(dāng)采用多層熔覆法制備厚的熔覆層時(shí)，由于熱應(yīng)力的反復(fù)作用，易導(dǎo)致熔覆層在界面結(jié)合處損傷、產(chǎn)生大量裂紋或整體剝落。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金表面反應(yīng)合成陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層及制備方法，利用激光束在鈦合金部件表面反應(yīng)合成TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層的粉末材料成分設(shè)計(jì)及粉末、熔覆層的制備工藝。利用激光束熔覆本發(fā)明所述粉末材料，形成陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料熔覆層。熔覆層與基體結(jié)合界面Ti含量無(wú)突變，可避免在熔覆層與基體結(jié)合界面生成脆性相，從而實(shí)現(xiàn)在激光多層熔覆的條件下，熔覆層不剝落、熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。

本發(fā)明可使熔覆層與基體結(jié)合界面Ti含量連續(xù)變化，并可避免在熔覆層與基體結(jié)合界面生成過(guò)多脆性相，從而在鈦合金表面制備具有冶金結(jié)合的TiC_x/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熔覆層，通過(guò)同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度達(dá)3600μm。

本發(fā)明熔覆層的粉末原料的各組份重量百分含量如下：

石墨C粉(粒度-200+325目,純度≥99.5％,其中,-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范圍，)：2-10wt.％；Ti-Zr-Ni-Cu合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中Ti-Zr-Ni-Cu合金粉末的成分為：Ni:5-15wt.％；Zr：5-15wt.％；Cu:5-10wt.％；Ti：余量。

粉末原料中各組分作用如下：