[發(fā)明專利]一種TiBw-Ti復合層及其激光原位制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910166080.0
• 申請日: 2019-03-06
• 公開（公告）號: CN109989059B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林英華;林振衡;陳慶堂;唐群華;雷永平
• 申請（專利權(quán)）人: 莆田學院
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22F1/18
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11471
• 代理人: 王睿

本發(fā)明提供了一種TiBw?Ti復合層，以及該復合層的激光原位合成方法。具體地，該復合層以Ti粉與TiB₂粉為原料，在基板表面制備TiBw/Ti含量梯度變化的熔化層，然后使熔化層發(fā)生重熔，并通過感應(yīng)加熱與激光淬火協(xié)同作用的方式，在重熔層表面制備熔覆層。該熔覆層中α?Ti與TiBw的界面結(jié)構(gòu)為共格或半共格結(jié)合形式，可顯著提高其強韌性、抗高溫氧化、抗微動磨損和抗微動疲勞性能。該TiBw?Ti復合層可廣泛應(yīng)用于以鈦合金材料制造的航空發(fā)動機外殼輔助部件的改性層及修復層。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種TiBw-Ti復合層，以及采用激光原位技術(shù)制備該TiBw-Ti復合層的方法。

背景技術(shù)

TiBw作為一種增強相已廣泛應(yīng)用于鈦基復合材料，按照增強相生成方式可分為外加法與原位反應(yīng)自生法。由于TiBw粉末制備困難，目前在TiBw增強鈦基復合材料方面，基本上采用原位反應(yīng)自生法來制備。常用作B源的原料有ZrB₂、B₄C、BN、TiB₂、LaB₆及B粉等。而目前利用原位法生成TiBw增強鈦基復合材料的主要制備技術(shù)有：粉末冶金法、機械合金化、自蔓延高溫合成工藝、放熱擴散法、熔煉鑄造技術(shù)、激光熔覆技術(shù)以及各種各樣的涂層技術(shù)。

而在傳統(tǒng)的制備TiBw/Ti復合涂層工藝中，過去人們總是在追求制備TiBw在Ti基體中均勻分布的復合材料，盡管TiBw均勻分布的鈦基復合材料比鈦合金材料具有許多優(yōu)異的性能，然而卻很難達到理想的增強效果。近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)，增強相均勻分布的金屬基復合材料僅表現(xiàn)出有限的增強效果及較差的塑韌性水平，而不均勻幾何形態(tài)、多尺度、非均勻成分分布及多層次耦合結(jié)構(gòu)具有更高的強度、韌性及耐損傷等優(yōu)勢。同時，隨著人們對自然界中很多天然生物材料認識的不斷深入，發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異綜合力學性能和強韌性配合的天然生物材料往往具有比較復雜的結(jié)構(gòu)要素特征，如不均勻幾何形態(tài)及空間分布、多尺度、多相、非均勻成分分布、多層次耦合結(jié)構(gòu)等。如高強韌性及高化學-力學穩(wěn)定性的皺紋盤鮑貝殼珍珠母的組織結(jié)構(gòu)具有多級化，即由多尺度顆粒組成的文石片與多層次的有機質(zhì)薄層逐層堆垛而成的微結(jié)構(gòu)構(gòu)成；又如高耐壓和高耐磨的龍蝦螯結(jié)構(gòu)具有多層次特征，分為上表皮、外表皮和內(nèi)表皮,其外表皮層和內(nèi)表皮層是由螺旋夾板層構(gòu)成，自表及里存在明顯的力學性能梯度。這些多層次多尺度的組織(或相)構(gòu)筑為我們發(fā)展高強、高韌及耐損傷的TiBw/Ti復合材料提供了很有借鑒價值的線索。

目前，雖可通過熱壓燒結(jié)、熔煉及粉末冶金等技術(shù)可制備非均勻結(jié)構(gòu)的TiBw/Ti復合材料，但所獲得的鈦基復合材料存在疏松多孔、增強相團聚等問題，還需要通過后續(xù)熱變形與后續(xù)熱處理。這不僅增加了多道工序造成成本提高，還易造成組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。(2)部分具備分層的Ti-TiBw/Ti復合材料可通過反應(yīng)熱壓燒結(jié)和擴散連接等方法制備，但層間界面結(jié)合并非完全的冶金結(jié)合，界面結(jié)合強度仍有待進一步提高，而且層狀表面主要為Ti基材料，不利于抗氧化、抗磨損的應(yīng)用。(3)傳統(tǒng)制備技術(shù)，還不能有效地成為鈦合金表面改性及修復技術(shù)，即使能成功地在鈦合金表面制備出非均勻分布的TiBw/Ti復合涂層，也可能較大程度地破壞鈦合金母材的原有性能，如熱壓燒結(jié)、熔煉及粉末冶金技術(shù)。

而在眾多的表面改性技術(shù)之中，激光表面改性技術(shù)因其獲得的涂層組織致密、與基材呈良好冶金結(jié)合及對基材熱影響區(qū)影響小等優(yōu)勢，逐漸開始成為鈦合金表面改性及修復的重要工具。而且采用激光直接輻照熔覆材料，在熱傳遞作用下，材料熔化方向是從外部沿內(nèi)層逐漸推移，又由于基材的激冷作用，凝固方向是從底部向外層推移。這種熔化方向與凝固方向的相反特性很容易使得熔覆層自表及里組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不均勻分布的特點。