[發明專利]兩級原位自生鈦合金表面可控耐磨涂層的制備方法

有效

• 申請號: 201610503876.7
• 申請日: 2016-06-30
• 公開（公告）號: CN105904167B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 黃陸軍;安琦;劉悅;耿林;郜雅楠;姜山;王帥;崔喜平
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K9/167;B23K9/235
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及鈦合金表面可控耐磨涂層的制備方法。

背景技術

鈦及鈦合金具有輕質、高強、耐腐蝕、無磁等諸多突出優點，在航空、航天、航海、汽車、化工、生物醫學等領域具有廣泛的應用。然而，鈦及鈦合金硬度較低、耐磨性不足在耐磨構件上目前常采用耐磨鋼材料，其重量大不利于輕量化設計。通過在鈦合金中引入陶瓷相制備鈦基復合材料可以有效提高其硬度與耐磨性，然而卻大幅降低其塑性與韌性，不利于推廣應用。在鈦合金表面制備硬化耐磨層是提高其硬度與耐磨性，并保持其整體韌性的有效途徑。然而目前常用的幾種工藝制備耐磨涂層存在以下問題：1)采用激光熔覆方式制備鈦合金表面耐磨涂層加熱與冷卻速度極快，常在涂層表面產生裂紋，同時設備昂貴，制備環境要求高，工藝復雜；2)等離子技術熔覆效率高，但噪音大，紫外線強會產生臭氧污染；3)熱噴涂技術獲得涂層不致密，并且與基體結合強度低，且涂層厚度較薄，使得涂層容易開裂剝離；4)物理化學氣相沉積技術所獲得的涂層厚度小，難以滿足使用條件。

鎢極氬弧熔覆技術，是在氬氣保護下采用鎢極作為電極將涂層原始材料在基體表面熔化并快速凝固制備涂層的技術。與傳統激光熔覆、等離子熔覆、熱噴涂等技術相比，具有以下優勢：(1)電極不熔化，電弧長度穩定，熔覆過程平穩；(2)涂層與基體實現冶金結合，結合強度高；(3)設計不同的硬化相含量可實現涂層硬度可控；(4)操作簡單，環境要求低；(5)設計不同的熔覆層數可實現涂層厚度可控。因此，鎢極氬弧熔覆技術在鈦合金表面改性方面應用價值極高，并且適合推廣到工業生產。

然而，對于鎢極氬弧熔覆制備鈦合金表面耐磨涂層的研究與應用很少，如果直接采用粉末原料則會在氬氣流動的作用下吹散到空氣中從而不能有效附著在基體表面；由于加熱與冷卻速度極快，保溫時間極短，所以原位自生反應不能充分進行得到的硬化相含量有限并且組織不均勻；硬化效果有限；所以存在以下不足：(1)涂層原始粉末材料難以有效均勻預置；(2)原位自生反應不能充分進行，金相組織不均勻；(3)硬化相含量不高，表面硬度改善有限；(4)耐磨涂層硬度與厚度難以控制。

發明內容

本發明是為了解決現有鈦合金表面高硬耐磨涂層制備工藝復雜，成本高，涂層與基體結合差，涂層厚度有限、環境污染以及目前鎢極氬弧熔覆制備鈦合金表面高硬耐磨涂層工藝中存在的涂層原始粉末材料難以有效均勻預置；原位自生反應不能充分進行，金相組織不均勻；硬質相含量不高，表面硬度改善有限；耐磨涂層硬度難以控制的問題，而提供一種兩級原位自生鈦合金表面可控耐磨涂層的制備方法。

本發明的兩級原位自生鈦合金表面可控耐磨涂層的制備方法按以下步驟進行：

一、混粉：按質量百分比將10％～30％的TiB₂粉和70％～90％的TC4鈦合金粉在氬氣保護氛圍下用行星球磨機進行球磨混粉，混粉時間為4h～8h，得到混好的復合粉末；

二、熱壓燒結：將混好的復合粉末裝入真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，將燒結溫度從室溫以10℃/min的升溫速率升溫至1200℃～1250℃，真空熱壓燒結爐中的壓力為20MPa～30MPa，保溫時間為45min～60min，熱壓燒結后隨爐冷卻至室溫，得到原位自生的高硬質相含量復合材料；

三、切割薄片：將原位自生的高硬質相含量復合材料采用線切割機切割成厚為0.5mm～2.5mm的薄片，并用砂紙打磨去掉表面雜質；得到表面光滑的薄片；

四、熔覆：將表面光滑的薄片平鋪在TC4鈦合金表面，然后在氬氣保護的條件下置于鎢極氬弧焊機下進行熔覆，熔覆電流為90A～160A，熔覆速度為10cm/min～20cm/min，得到覆有耐磨涂層的TC4鈦合金。

本發明的有益效果：

采用本發明制備的覆有耐磨涂層的TC4鈦合金與基體進行連接，由質量分數11.7％的TiB₂與88.3％的TC4原位反應后使得增強復合材料涂層中TiB硬質相的體積分數達到20％，該涂層顯微硬度最高可達590HV_0.2，洛氏硬度可達HRC47，而TC4鈦合金的硬度僅為350HV_0.2，HRC31，說明鈦合金表面硬度得以有效提升；并且還可以通過控制硬質相的含量進一步提升涂層硬度，當增強復合材料涂層中TiB硬質相的體積分數達到30％時，該涂層顯微硬度可達HRC53；當增強復合材料涂層中TiB硬質相的體積分數達到50％時，該涂層顯微硬度可達HRC61。同時鎢極氬弧熔覆可在大氣環境中進行，工藝簡單，可提高效率降低成本。

附圖說明