[發(fā)明專利]一種高溫部件表面改性材料及其熔覆層制備方法

在審

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• 申請日: 2017-01-10
• 公開（公告）號: CN106591833A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉洪喜;董濤;穆永坤;劉子峰
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C30/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光表面改性領(lǐng)域，具體涉及高溫部件表面改性材料及其熔覆層制備方法。

背景技術(shù)

鈦合金作為一種新型的輕金屬材料，具有密度小、比強度高、生物相容性好、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生及機械制造等領(lǐng)域，然而其不高的高溫抗氧化性能嚴重限制了其廣泛應(yīng)用。鈦合金的使用溫度一般低于650℃，隨著工作溫度的升高，尤其當溫度超過650℃時，鈦合金將在空氣環(huán)境中發(fā)生更快的氧化反應(yīng)，使性能受到明顯破壞，因此提高鈦合金的高溫抗氧化性能就成了亟待解決的重大課題。基體合金化和表面改性、涂層技術(shù)的發(fā)展為這一問題的解決提供了可能。基體合金化的方法盡管合金元素的加入在一定范圍內(nèi)提高了鈦合金的抗氧化能力，然而由于是整體加入，所加的元素不僅浪費嚴重，且由于合金元素的加入影響了鈦合金原來的一些力學(xué)性能，因此表面改性、涂層技術(shù)就成了提高鈦合金的抗氧化能力的首選方法。通過在鈦合金表面形成一層抗氧化涂層，合金的抗氧化能力由涂層來提供，而力學(xué)性能由鈦合金基體來完成。因此，一方面大大地減少了抗氧化元素的用量，節(jié)省了資源；另一方面由于涂層的加入只對合金表面的化學(xué)成分有所改變，而對鈦合金的力學(xué)性能基本沒有影響。

目前幾種常用的表面涂層技術(shù)有物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、堆焊、熱噴涂、電子束表面熔覆、離子注入、激光熔覆等，主要工藝都是在鈦合金表面制備高溫抗氧化涂層，通過隔絕鈦合金與氧化性氣氛的直接接觸及增加鈦合金氧化阻力來提高其抗氧化性能。

物理氣相沉積（PVD）存在的缺陷有：蒸鍍化合物時由于熱分解現(xiàn)象難以控制組份比；低蒸汽壓物質(zhì)難以成膜；需要濺射靶，靶材需要精制，且靶材利用率低。

化學(xué)氣相沉積（CVD）存在的缺陷有：膜-基結(jié)合力弱，鍍膜不耐磨，并有方向性；雜質(zhì)難以去除；成分難以控制；參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有毒，需要防護措施；對基片進行局部表面鍍膜時很困難。

堆焊存在的缺陷有：熱輸入大；殘余應(yīng)力大；基材對涂層的稀釋率大；后續(xù)處理工序復(fù)雜。

熱噴涂存在的缺陷有：噴涂層與基體結(jié)合強度較低，不能承受交變載荷和沖擊載荷；基體表面制備要求高；工藝受多種條件影響，涂層質(zhì)量尚無有效檢測方法。

電子束表面熔覆存在的缺陷有：空氣對電子束強烈散射和吸收，平均自由程很短；電子束表面熔覆必須在真空條件下進行，工件尺寸受到限制；電子束表面熔覆設(shè)備復(fù)雜、成本高。

離子注入存在的缺陷有：高能離子注入改變晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)備復(fù)雜，成本高昂，目前主要用于關(guān)鍵部件；離子注入層較薄，限制了其應(yīng)用范圍；不能用來處理具有復(fù)雜內(nèi)腔表面的零件；離子注入表面強化要在真空室中處理，零部件尺寸受到真空室尺寸限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高溫部件表面改性材料，其由Ti、Al、Hf、Ta和W五種元素粉末組成，各組分及摩爾百分比為Ti粉 35~40%、Al粉 35~40%、Hf粉6~15%、Ta粉4~8 %、W粉3~7%。

所述Ti粉、Al粉、Hf 粉、Ta粉和W粉的平均粒徑均為75μm~85μm。

本發(fā)明的另一目的在于提供高溫部件表面改性材料熔覆層的制備方法，包括以下步驟：

（1）對基體材料進行預(yù)處理：去除鈦合金表面氧化皮、油污及雜質(zhì)，干燥后備用；

（2）將各組分按比例稱量后，通過真空球磨方式使其混合均勻，球磨參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為45~60r/min，球料比為15:1~20:1，球磨時間為2h~2.5h；

（3）將步驟（2）球磨后得到的混合粉末材料均勻壓制在步驟（1）處理后的基體材料表面，形成預(yù)制層，預(yù)制層厚度為1.0~1.5mm，干燥后通過激光熔覆即可獲得熔覆層，進行激光熔覆時的工藝參數(shù)為激光功率3.0~4.0kW，掃描速度350~450mm/min，光斑直徑3~5mm，離焦量20mm，保護氣體采用氬氣，氣體流量6~10L/min。

所述步驟（1）鈦合金材料為TC4(Ti-6Al-4V)。

本發(fā)明有益效果：

（1）本發(fā)明所得到高溫部件表面改性材料熔覆層，組織結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，具有良好的高溫穩(wěn)定性，并且獲得的熔覆層具有高硬度、高耐摩擦磨損性能、高耐高溫氧化性能，因此，該表面改性材料在高溫部件上具有良好的應(yīng)用前景；

（2）本發(fā)明通過激光熔覆工藝得到成型良好的熔覆層，并且應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對于粉末的選擇范圍很寬廣，在很大的范圍內(nèi)進行各組分的配制，從而可以得到特定性能的熔覆層；