一种钛合金表面多元激光合金化层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金表面多元激光合金化层及其制备方法，以钛合金为基体材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作为涂层材料涂覆在钛合金表面，利用激光扫描同时吹送氮气进行合金化制得，涂层材料的质量百分比为B4C粉末10～90％、石墨粉10～90％、Ti粉0～50％、Y2O30～4％。本发明专利技术在开放的N2环境下采用B4C和石墨粉在钛合金表面进行硼-碳-氮多元复合激光合金化，制备出高硬度、耐磨复合陶瓷涂层。Ti粉和稀土氧化物Y2O3的同时添加有利于提高合金化层的显微硬度与耐磨性，适量的Ti可以促进合金化层中的原位反应，而Y2O3则会细化组织，提高涂层的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，以钛合金为基体材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作为涂层材料涂覆在钛合金表面，利用激光扫描同时吹送氮气进行合金化制得，涂层材料的质量百分比为B4C粉末10～90％、石墨粉10～90％、Ti粉0～50％、Y2O30～4％。本专利技术在开放的N2环境下采用B4C和石墨粉在钛合金表面进行硼-碳-氮多元复合激光合金化，制备出高硬度、耐磨复合陶瓷涂层。Ti粉和稀土氧化物Y2O3的同时添加有利于提高合金化层的显微硬度与耐磨性，适量的Ti可以促进合金化层中的原位反应，而Y2O3则会细化组织，提高涂层的综合力学性能。【专利说明】
本专利技术涉及一种钛合金表面涂层及其制备，属于材料表面处理
。
技术介绍
由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀以及良好的低温性能等优点，钛及钛合金被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、冶金、医疗等领域。但是钛合金硬度低、耐磨性差，特别是微动磨损和粘着磨损问题难以解决，不宜用于制造机械产品中的传动件，限制了钛合金更广泛的应用。因此，如何提高钛合金的表面硬度和耐磨性能，扩大其应用范围，引起了国内外材料领域研究人员的广泛关注。除改进合金的成分和制备工艺外，对钛合金进行表面改性是进一步提高钛合金的耐磨性、抗高温氧化性以及耐腐蚀性等表面性能最经济而有效的方法。钛合金表面改性技术中，传统的化学热处理方法如气体渗氮、渗碳、碳氮共渗、渗硼等，可显著提高耐磨、耐蚀及高温抗氧化等性能，但多数方法存在加热温度高(700~IOO(TC)、热处理周期长、渗层薄、组织控制困难、易引起工件变形、晶粒粗大、局部表面处理困难等问题。火焰喷涂和等离子喷涂具有沉积速度快、生产效率高、适用范围广等优势，是目前国内外常用的金属表面陶瓷涂层技术，但存在涂层与基体多为机械结合，结合强度低、容易开裂或剥落等缺点。离子注入技术虽能有效地提高钛合金的耐磨性，但其注入层的厚度仅能达到微米级，而且需要在真空下进行，也限制了大尺寸工件的处理。激光光源由于具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等特点而被广泛应用于表面处理技术。激光表面合金化克服了以往表面改性技术的某些缺点，能够在钛合金基体表面获得具有高硬度与耐磨性、良好耐热与耐蚀性的复合陶瓷涂层，实现了涂层与基体的冶金结合，结合强度高，从而使钛合金零部件的使用寿命得以显著提高，因而越来越多的应用于钛合金表面改性领域。激光表面合金化按照所添加材料的性质可分为两大类，即气体合金化和粉末合金化。采用合理的激光工艺参数有利于在工件表面产生较大的残余压应力值，降低合金化层的裂纹敏感性，从而提高材料的耐磨性、疲劳寿命和工作的可靠性，但对于工艺参数的具体选择并非简单的增加或降低规律。增大激光功率，减小氮气流量，有助于降低熔池的冷却速度和熔池内的温度梯度，从而缩小残余热应力，减少熔池的开裂倾向；同时较高激光功率下生成的致密TiN枝晶组织有利于增加氮化层表面的残余压应力。但是激光功率过高将导致氮化层中脆性相过多和枝晶组织的粗化而产生裂纹。扫描速度的增加也会增大合金化层的残余应力从而引起开裂，这是因为较快的扫描速度可使激光与材料的交互作用时间缩短，从而使温度梯度增大，合金化层中产生的热应力也随之增大。综上所述，钛合金激光表面氮化时各激光工艺参数对氮化层性能的影响并不是单一的、相互孤立的，而是相互作用，相互影响，只有实现激光功率、扫描速度以及氮气流量等工艺参数的优化组合，才可在钛合金表面获得性能优异、厚度均匀而裂纹少的氮化层。尽管钛合金激光表面改性技术已在各种不同领域中得到广泛关注与应用，但激光合金化工艺和理论 的研究都尚不成熟，且大功率激光加工设备的稳定性与配套性都尚未达到工业生产的应用水平，仍有很多问题亟待解决。如何减小激光表面合金化层残余内应力及裂纹、提高激光合金化工艺结果尤其是采用陶瓷粉末进行激光合金化处理结果的可重复性，是今后钛合金表面激光合金化研究的重点。应考虑的问题如下:(I)基体材料对合金粉末的选择性确定合适的预置合金化粉末需要从三个方面进行考虑:1)所需要满足的使用性能，主要是硬度、耐蚀性、耐磨性、抗氧化性等方面的具体要求；2)基体材料和合金化材料的物理性能差异及相互作用特征，如溶解形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数、热导率等，以保证获得满意的合金化效果。一般希望合金化层与基体之间能够形成强度较高的冶金结合，并保证合金化层的韧性、抗弯曲、抗压等性能。3)经济性，合金化处理的一个重要目的就是降低成本，因此在选择合金化材料是必须要考虑其价格和利用率等经济成本因素。(2)合金化层的成分控制激光熔化过程中各元素烧损系数的系统测定及元素溶入量的精确控制问题目前尚未解决。另外，用于激光合金化的自动送料装置亦尚不完善，这也给合金成分的精确控制带来一定困难。在激光合金化过程中，如果工艺条件控制不严格将容易造成合金元素的烧损，这将导致合金化层内合金元素分布不均匀的现象。(3)合金化层的裂纹、孔洞及表面不平度激光合金化时在激光束作用下表层的金属经历了一个快速熔凝的过程，材料的表面发生了化学成分、组织结构和性能的一系列变化，合金层内部或在与基体的界面结合处容易出现裂纹、孔洞等缺陷，而合金化层表面则出现不同程度的凹凸不平现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述不足而提供了，利用激光合金化技术在钛合金表面制备出多元强化的复合陶瓷涂层。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为: —种钛合金表面多兀激光合金化层,它以钛合金为基体材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作为涂层材料涂覆在钛合金表面，利用激光扫描同时吹送氮气进行合金化制得，涂层材料的质量百分比为B4C粉末10~90%、石墨粉10~90%、Ti粉O~50%, Y2O3O ~4%。所述的涂层材料的质量百分比优选为=B4C粉末40~80%、石墨粉10~50%、Ti粉5~45 %、Y2O30.5~4.0 %。进一步优选为:B4C粉末40~60 %、石墨粉30~50 %、Ti粉 10 ~40%, Y2O30.5 ~1.5%。上述的B4C粉末与石墨粉的质量比优选为1-2: I。所述的Ti粉与Y2O3的质量比优选30:1。所述的B4C粉末粒度为150 μ m~250 μ m,石墨粉50 μ m~100 “111,1';1~150 μ m，Y2O3的粒度均为IOym~200nm，采用材料的纯度均高于99.5%，氮气纯度高于99.9%。上述的钛合金表面多元激光合金化层的制备方法，包括步骤如下:(I)将钛合金板材切割成块状试样表面去氧化处理并清洗、吹干；(2)将B4C粉末、石墨粉、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末加水玻璃溶液均匀调成糊状，将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金基体上，保持厚度均匀，自然风干；(3)采用连续激光器对试样进行扫描，扫描过程中吹送氮气作为合金化的氮源同时保护熔池及激光器镜筒，扫描功率为800~1200W，光斑直径为3.5~4_，扫描速度为2.5~7.5mm/s，氮气气压保持在0.2~0.6MPa。上述步骤(2)水玻璃溶液中水玻璃与蒸馏水体积比=1: 3，平均每克混合粉末用水玻璃溶液5~15滴。所述的钛合金优选T1-6A1_4V钛合金。本专利技术具有以下优点:本专利技术在开放的N2环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金表面多元激光合金化层，其特征是，它以钛合金为基体材料，以B4C、石墨、Ti粉和稀土氧化物Y2O3的混合粉末作为涂层材料涂覆在钛合金表面，利用激光扫描同时吹送氮气进行合金化制得，涂层材料的质量百分比为B4C粉末10～90％、石墨粉10～90％、Ti粉0～50％、Y2O30～4％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于慧君，李伟，陈传忠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37