[發明專利]鈦合金表面激光原位合成TiBx?TiN/Ti3Al復合涂層及制備方法

在審

• 申請號: 201711001179.2
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107557782A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 隋欣夢;位超群;張維平;陳卓
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 陳玲玉

技術領域

本發明屬于激光熔覆技術領域，具體涉及鈦合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al復合涂層及制備方法。

背景技術

鈦合金是目前我國高強高韌鈦合金綜合力學性能匹配較好的鈦合金之一，具有良好的強度、塑性、斷裂韌性和較低的裂紋擴展速率,被廣泛應用于航空飛機的機翼接頭結構件、機身與起落架連接框、吊掛發動機接頭等部位,以及對強度及耐久性要求較高的重要或關鍵承力等部件。但鈦合金硬度較低、耐磨性較差等缺陷，嚴重限制了其在工業領域中的應用。激光熔覆技術作為近幾年興起得一種表面改性技術，是提高鈦合金表面硬度、耐磨性及抗高溫氧化性等性能的有效途徑。

激光熔覆技術使利用激光束的高能量密度，使熔覆粉末和基體金屬表面薄層同時熔化，形成微小熔池并快速凝固，從而獲得稀釋度較低且與基體構成冶金結合的表面涂層。激光熔覆技術具有以下優點：激光束光斑直徑可以控制，可選擇性對工件進行局部處理；激光束的方向性好，精確可控制，可以對不規則表面復雜的的工件進行處理；激光束能量密度高，對工件作用時間短，凝固時冷卻速度快，激光熔覆層組織細??；熔覆層組織具有明顯的梯度漸變特征，使熔覆層與基體之間呈現良好的冶金結合。

激光熔覆復合涂層的組織細密而均勻，并分布著大量的陶瓷硬質相，對熔覆層的硬度有著明顯的提高；從熔層區至熱影響區，隨著熔覆層深度的增加，基體對激光熔覆層的稀釋會引起硬度的降低；靠近激光熔覆層的熱影響區中組織發生馬氏體相變，因而顯微硬度提高；隨著距離表面層深的增加，顯微硬度持續下降，直至降至基體后趨于穩定。復合粉末涂層彌補了滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下自熔性合金粉末的不足，又有效的改善了純陶瓷涂層應用中出現的性能不匹配造成缺陷的問題。

現有技術以Ti、Al、TiN等粉末為原料，采用激光直接添加增強相法熔覆技術制備TiN增強的Ti₃Al基復合涂層，結果表明，復合涂層具有比單相Ti₃Al涂層更優異的硬度和耐磨性，但是復合層存在著基體與復合層的結合性較差、界面雜質多和成分分布不均等不足之處。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al復合涂層及制備方法，與直接添加增強相法相比，原位合成法制備復合涂層中的基體與陶瓷增強相容性好、結合性強、熱力學穩定、界面干凈、分布均勻。為了實現上述技術目的,本發明采用的技術方案為：

鈦合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al復合涂層，該復合涂層的基體材料為鈦合金；其熔覆粉末由BN、Al和Ti組成，其中BN的原子百分比為3％-10％、Al的原子百分比為26％-29％，其余為Ti；所述各組分純度均大于等于99.9％；原位合成的TiB、TiB₂及TiN均勻分布于Ti₃Al上。通過激光熔覆技術制備出TiB_x-TiN/Ti₃Al復合涂層，它實現了金屬的強韌性、良好的工藝性和陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性的有機結合。

上述的鈦合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al復合涂層的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：將基體材料鈦合金表面磨平，去除表面氧化層；清洗基體材料，去除表面有機污漬；

步驟2：將熔覆粉末按照BN、Al和Ti混合，其中BN的原子百分比為3％-10％、Al的原子百分比為26％-29％，其余為Ti；各粉末混合后，進行真空球磨，球磨時間不少于1小時，充分混合，得到合金粉末，粉末粒徑為2～3um，再把粉末放入真空干燥箱中，去除粉末中的水分；

步驟3：采用預置法，不添加黏結劑地將熔覆粉末均勻的涂敷在經過步驟1處理基體材料表面，涂敷厚度為0.8-2mm；

步驟4：在氬氣保護下，采用半導體激光器對試樣進行表面單道熔覆；

進行熔覆時的工藝參數為：激光功率為800-1200W、掃描速度為3-6mm/s、光斑直徑為3-4mm，保護氣體采用氬氣，防止空氣中的氧氣對其氧化以及水蒸氣進入熔覆層，氣體流量為6～10L/min。

本發明的有益效果是：