[發明專利]一種冰環境下使鈦合金表面激光熔覆涂層非晶化的方法

在審

• 申請號: 201510022512.2
• 申請日: 2015-01-17
• 公開（公告）號: CN104532232A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 李嘉寧;張元彬;石磊;霍玉雙;劉科高;馬海龍;羅輝
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及一種實現鈦合金表面激光熔覆涂層非晶化的方法，屬于材料表面強化技術領域。特別涉及一種在真空中冰環境下使鈦合金基材表面Ni60A-B₄C-Sb-Y₂O₃激光熔覆涂層的顯微硬度極大提高并實現鈦合金基材表面非晶化的方法。

背景技術

鈦合金具有高比模量、高比強以及優異耐蝕性等優點，已被廣泛應用于航空航天等重要工業領域。非晶態合金作為一種新型材料，具有高屈服強度、大彈性應變極限及高耐磨性等優異性能。Ni60A粉末是高硬度的鎳鉻硼硅鐵合金粉末，具有自熔性與潤濕性優良且熔點較低等特性，其激光熔覆涂層具有硬度高、高耐蝕、耐磨及耐熱等特點；適量稀土氧化物加入可顯著提高Ni60A激光熔覆涂層的硬度與耐磨性能。由于Ni60A粉末所包含的Ni與γ-Fe同為面心立方晶格結構，可無限互溶；Ni優先與γ-Fe形成固溶體晶核，晶核不斷從處于熔融狀態的熔池中吸收大量Ni原子而長大，并使大量Ni元素發生聚集，在熔合區形成富Ni網狀γ-(Fe,?Ni)奧氏體相，有利于提升涂層的塑韌性。在激光熔池中，Sb可與Ni60A中諸多元素發生化學反應，生成諸如CoSb，NiSb等超細納米晶相。該類納米晶在高溫熔池中具有極高的擴散率，易引發晶格畸變，使激光熔覆涂層發生非晶化轉變。

基于上述科學原理，本發明提出了一種能夠降低生產成本、提升鈦合金表面硬度的金屬表面非晶化處理方法。現有鈦合金表面激光熔覆使用的預置粉末為Ni60A-B4C-Sb-Y2O3，直接用水玻璃溶液均勻攪拌成糊狀涂覆于鈦合金表面，而后進行激光熔覆。因基材鈦合金對激光熔池的稀釋作用，大量Ti由基材進入激光熔池，可與激光熔池中諸多化學元素發生化學反應，生成諸如TiB₂、TiC等極具耐磨性的化合物。適量Y₂O₃添加可有效提升液態金屬流動性，減小凝固過程中成分過冷，降低成分偏析，減弱枝晶生長方向性，使涂層組織結構均勻細化；另外，激光熔覆過程中Y₂O₃會分解為Y與氧氣，Y產生減小了液態金屬的表面張力與臨界形核半徑，使同一時間內形核點數明顯增加，有利于細化激光涂層組織；而未發生分解的Y₂O₃阻礙了晶體生長，可進一步對涂層產生非晶化影響；另外，鎳基非晶合金具有極強的玻璃形成能力，因此Ni元素進入熔池利于非晶相產生。

掃描電鏡照片表明，冰環境下產生的Ni60A-B₄C-Sb-Y₂O₃激光熔覆涂層組織結構均勻，無裂紋及氣孔產生（見圖1）。在冰環境中進行激光熔覆目的是為了加快鈦合金表面熔池的冷卻速率，從而達到抑制晶化相形核、長大，形成接近氧化物玻璃的高粘度過冷熔體來抑制原子長程擴散和重新分布，從而將熔體“凍結”于激光熔覆涂層中形成非晶相。

?圖2?顯示了冰環境中產生的Ni60A-B₄C-Sb-Y₂O₃激光熔覆涂層的顯微硬度分布，顯微硬度達1450～1500?HV_0.2，較未在冰環境下產生的激光熔覆涂層提高近300?HV_0.2。

?發明內容

本發明通過冰環境引入使激光熔覆涂層非晶化，從而改善涂層的表面形貌及提升顯微硬度。該項技術可應用于金屬零部件制造等諸多方面。

具體步驟：

（1）將一定質量比例Ni60A與B₄C、Sb、Y₂O₃混合粉末用水玻璃溶液均勻調成糊狀；所述基底粉末Ni60A尺寸1～280?μm，B₄C、Sb、Y₂O₃粉末尺寸300?nm～210?μm；

（2）將糊狀混合粉末均勻涂敷于鈦合金表面，涂層厚度0.1～2.4?mm，自然風干；

（3）將制備好的鈦合金試樣放置在如圖3所示的小塑料容器中，其中水剛好沒過試樣，而后將小塑料容器放置于冰箱冷凍室中直至溶液完全凝固；

（4）將要進行試驗時，將試樣從冰箱冷凍室中取出。整個試驗過程在真空袋中進行，用激光束對上述預置涂層的鈦合金試樣表面進行激光熔覆；工藝參數：激光功率350～3700?W，掃描速度1～22?mm/s，光斑直徑1～9?mm。