[發明專利]一種鈦合金表面高韌性高硬度抗壓涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410709437.2
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN105695981B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 張永忠;劉彥濤;曹曄;張習敏;韓媛媛;范葉明;郭宏
• 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;C22C14/00;C22C32/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉徐紅

本發明涉及一種鈦合金表面高韌性高硬度抗壓涂層及其制備方法，屬于金屬表面涂層材料及其制備領域。該涂層由α?Ti、TiCr₂和TiC組成，TiC的含量為5?10wt.％，TiCr₂的含量為45?60wt.％，其余為α?Ti。首先制備Ti粉、Cr粉與TiC粉或Cr₃C₂粉的混合粉末，然后采用激光熔覆同步輸送的混合粉末，在鈦合金零件表面制備出涂層，最后進行退火處理。該涂層在激光熔覆時由固溶較多Cr的亞穩β?Ti和一定量的原位析出TiC組成，保證了激光熔覆過程涂層具有高的韌性，不發生開裂，隨后的退火處理消除了涂層應力，并析出較多量的TiCr₂ Laves相，提高了涂層的硬度及抗壓性能。

技術領域

本發明涉及一種鈦合金表面高韌性高硬度抗壓涂層及其制備方法，屬于金屬表面涂層材料及其制備領域。

背景技術

鈦合金因具有比強度高、屈強比高、耐腐蝕、良好的室溫及高溫力學性能，在航空、航天、艦艇、兵器、石油、化工、醫療等領域得到廣泛應用，但由于鈦合金存在硬度低、抗壓性差、耐磨性差、摩擦系數大等缺點限制了其更多的應用。例如航天用固體火箭姿控發動機的姿態調節結構由于鈦合金的硬度低、抗壓性能差，而不得不使用比重高的高強度鋼，嚴重影響了系統性能的提升。針對鈦合金硬度低、耐磨性差的缺點，發展了多種表面改性及涂層制備技術，包括電鍍、熱擴散、熱氧化、PVD、CVD等傳統表面技術，以及微弧氧化、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，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，將這些表面技術應用到高承壓環境時，普遍存在著或涂覆層薄，或抗壓性能差，或與基體材料結合弱，或處理溫度高且時間長而影響基體性能等缺點，需要在鈦合金表面發展韌性高、與基體結合好、高硬度抗壓表面改性層及其制備技術。

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，實現熔覆層與基體的冶金結合，熔覆涂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.可以實現高精度的熔覆沉積，自動化程度高，材料利用率高；2.熔覆層厚度可以調節，并可通過多層熔覆實現厚涂層的制備；3.激光能量集中，對基體的熱輸入小，對基體的熱影響小；4.熔覆涂層與基體為完全冶金結合，結合強度高；5.熔覆過程冷卻速率高(達10⁴～10⁶℃/s)，熔覆層為快速凝固組織，組織致密。但激光熔覆高硬度涂層時，由于高的溫度梯度及涂層材料與基體材料熱物理性能的差異，涂層容易發生開裂。

目前鈦合金表面激光熔覆主要采用預先鋪置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等所形成的涂層較脆、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，涂層極易開裂；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，與基體材料熱物理性能相差較大，不能滿足固體火箭姿控發動機姿態調節結構的高韌性、高承壓的使用要求。

綜上所述，在鈦合金材料表面發展與基體結合牢固的高韌性高硬度抗壓涂層及其制備技術十分必要。

發明內容

本發明的目的是提供一種鈦合金表面高韌性高硬度抗壓涂層及其制備方法，該涂層通過在鈦合金表面激光熔覆同步輸送的Ti-Cr-TiC(Cr₃C₂)混合粉末，并經過后續退火處理而獲得，所制備涂層與基體為完全冶金結合，涂層由α-Ti、TiCr₂和TiC組成，涂層中TiC含量為5-10wt.％，激光熔覆過程中涂層具有良好的韌性，不易開裂，熱處理后涂層具有高硬度和良好的抗壓性能。