一种钛合金表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层及制备方法，属于表面工程技术领域。利用激光束在钛合金部件表面反应合成TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料成分设计及粉末、熔覆层的制备工艺。该发明专利技术可使熔覆层与基体结合界面Ti含量连续变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成过多脆性相，从而在钛合金表面制备高结合强度的TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金属复合熔覆层，通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度达3600μm。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面工程
，特别涉及一种，利用激光熔覆法在钛合金部件表面反应合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料和制备工艺。
技术介绍
钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于国防与民用领域。但由于钛合金存在摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点，制约了其应用范围。在保持钛合金原有优异性能的条件下，表面涂覆层技术是提高钛合金表面耐磨性能的重要途径。 TiCx颗粒增强金属基复合材料具有密度低、耐磨性好、良好的导热与导电性等优点，在航空航天、民用制造等领域中有着广阔的应用前景。目前陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法包括加入陶瓷颗粒和原位反应合成陶瓷颗粒等两种技术。在激光熔覆法制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的领域，反应合成陶瓷颗粒技术与传统加入陶瓷颗粒技术相比有如下特点:(I)陶瓷相是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，陶瓷颗粒表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度高。(2)由于激光束光斑较小且能量密度有限，而TiC等陶瓷颗粒的熔点达3200°C，如采用外加陶瓷颗粒法，加入的陶瓷含量不能太高(一般外加陶瓷颗粒的质量分数为5-30% )。采用反应合成法时，陶瓷相在熔覆过程中生成，且为放热反应(例如T1-C可在< 1000°C时发生剧烈的放热反应)；这样，可利用较小功率激光束，形成高陶瓷相含量的陶瓷-金属复合熔覆层。 钛合金的耐磨性较差，对于在磨损、水蚀、高温冲蚀环境下工作的钛合金材料(如汽轮机末级叶片)，如何提高其表面耐磨性是工程应用中的关键问题。如果在钛合金基体上制备具有冶金结合的高耐磨的陶瓷-金属复合材料熔覆层，就可使钛合金部件在满足轻质、高强韧性要求的同时，其表面具有高的耐磨性。 热喷涂技术可用于在金属基体上制备陶瓷-金属复合涂层，但涂层存在结合强度较低(机械结合、结合强度一般< 50MPa)、涂层厚度一般小于500mm等局限性，涂层结合强度及厚度无法满足一些严酷磨损工况下的耐磨要求。 激光熔覆技术为当今国内外最先进涂覆层制备技术之一，该技术具有高能量密度、稀释度低、工件热变形极小等特点。激光熔覆的涂层具有组织致密、无气孔、无裂缝、与基体冶金结合、成分及厚度均匀等优点，这些优点是其它表面技术难以具备的。 目前常用的陶瓷颗粒增强金属基复合材料体系主要有镍基、铁基、铝基等，如采用上述体系的材料进行激光熔覆，易产生如下问题:(I)在熔覆过程中，被熔覆的N1、Fe、Al在熔覆层与基体结合面处生成硬而脆的金属间化合物(如T1-Ni系、T1-Fe系、T1-Al系等)，此类金属间化合物的形成导致界面结合强度大幅度下降；(2)当采用多层熔覆法制备厚的熔覆层时，由于热应力的反复作用，易导致熔覆层在界面结合处损伤、产生大量裂纹或整体剥落。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，利用激光束在钛合金部件表面反应合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金属复合熔覆层的粉末材料成分设计及粉末、熔覆层的制备工艺。利用激光束熔覆本专利技术所述粉末材料，形成陶瓷-金属复合材料熔覆层。熔覆层与基体结合界面Ti含量无突变，可避免在熔覆层与基体结合界面生成脆性相，从而实现在激光多层熔覆的条件下，熔覆层不剥落、熔覆层与基体结合强度高。 本专利技术可使熔覆层与基体结合界面Ti含量连续变化，并可避免在熔覆层与基体结合界面生成过多脆性相，从而在钛合金表面制备具有冶金结合的TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金属复合熔覆层，通过同一面积上的多层搭接熔覆，使熔覆层厚度达3600 μ m。 本专利技术熔覆层的粉末原料的各组份重量百分含量如下: 石墨C粉(粒度-200+325目，纯度> 99.5% ,其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范围，):2-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu合金粉(粒度-140+325目):余量；其中 T1-Zr-N1-Cu 合金粉末的成分为:N1: 5-15wt.% ；Zr:5-15wt.% ；Cu: 5-10wt.% ；T1:余量。 粉末原料中各组分作用如下: T1-Zr-N1-Cu合金粉末在激光束的作用下熔化(该合金粉末熔点彡1200°C )，部分Ti与C反应生成高硬度的TiCx相，余下未与C反应的Ti与Zr、N1、Cu形成多元复合的T1-Zr-N1-Cu合金，该合金作为熔覆层中的连续相。在多元复合的T1-Zr-N1-Cu合金中，Zr、N1、Cu的作用是形成T1-Zr-N1-Cu固溶体、金属间化合物(Ti_N1、T1-Zr, T1-N1-Cu等)。通过固溶强化、金属间化合物的增强作用，使熔覆后形成的多元复合T1-Zr-N1-Cu合金具有硬度高(800-1000HV)、耐磨性好、抗高温氧化性能优于钛合金等特性。上述多元复合的T1-Zr-N1-Cu合金与基体钛合金形成冶金结合，界面结合处强韧性高。 气雾化法为制备氧含量低粉末的成熟技术，本专利技术采用气雾化法制备T1-Zr-N1-Cu合金粉末，并利用筛分法将气雾化法制备的粉末进行粒度筛分，筛分后用于激光熔覆的粒度范围为-140+325目。对成品T1-Zr-N1-Cu合金粉末所含杂质的要求如下:0:^ 0.2wt.% ；Si 0.3wt.% ；Mn 0.3wt.% ；P 0.045wt.% ；S 0.05wt.%。 熔覆层的制备工艺如下: 1、制备混合粉末 (I)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu 合金粉:余量； (2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120-150°C，干燥时间为2_4小时； (3)利用混料机进行混料，混料时间2-4小时； (4)将均匀混和后的混合粉末装入塑料桶密封储存。 2、制备熔覆层 本专利技术的技术可用于在厚度> 4mm的钛合金部件表面制备熔覆层，钛合金部件主要包括平板类、圆管类外表面、叶片类等。 制备熔覆层的工艺步骤为: (I)利用酸洗方法对钛合金部件的待熔覆表面进行去氧化层处理。 (2)配置预敷层浆料。在混合粉末中加入PVB胶、高纯酒精，搅拌后形成预敷层浆料，各组分比例为=PVB胶:3-5wt.% ;高纯酒精(纯度99.5% ):28-40wt.% ;混合粉末:余量。将所需混合粉末、PVB胶、高纯酒精按上述比例置于玻璃容器内，用玻璃棒手工搅拌8-20分钟，形成预敷层浆料。 (3)用毛刷将(2)中浆料涂覆于钛合金部件表面，预敷层厚度约为800-1200 μ m。 (4)将具有预敷层钛合金部件在高温炉中干燥，干燥温度130-200°C，干燥时间为20-50分钟。 (5)将干燥后的钛合金部件安装在熔覆工作台上(对于平板型部件，需要加装防变形钢板)，利用半导体-光纤耦合输出激光器或CO2激光器产生的激光束熔覆预敷层，形成具有冶金结合的熔覆层。为防止碳粉与合金粉末在熔覆过程中被氧化，激光熔覆时需在熔覆区域加氩气保护。 激光熔覆工艺为已有成熟技术，制备熔覆层的设备主要由激光器和熔覆工作台等部分组成。熔覆时激光头固定不动，利用数控设备驱动钛合金部件作匀本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在钛合金部件表面反应合成陶瓷‑金属复合熔覆层，其特征在于，制备该复合熔覆层粉末的各组份重量百分含量如下：石墨C粉：2‑10％，粒度‑200+325目,纯度≥99.5％,其中,‑200+325目表示粉末粒度在325目至200目范围；Ti‑Zr‑Ni‑Cu合金粉：余量，粒度‑140+325目；其中Ti‑Zr‑Ni‑Cu合金粉末的成分为：Ni:5‑15％；Zr：5‑15％；Cu:5‑10％；Ti：余量。
【技术特征摘要】
1.一种在钛合金部件表面反应合成陶瓷-金属复合熔覆层，其特征在于，制备该复合熔覆层粉末的各组份重量百分含量如下: 石墨C粉:2-10%，粒度-200+325目，纯度彡99.5%，其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范围；T1-Zr-N1-Cu合金粉:余量，粒度-140+325目；其中T1-Zr-N1-Cu合金粉末的成分为:N1:5-15% ；Zr:5-15% ；Cu:5-10% ；T1:余量。2.—种权利要求1所述的陶瓷-金属复合熔覆层的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下: 制备混合粉末 1)按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10% ；T1-Zr-N1-Cu 合金粉:余量； 2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120-150°C，干燥时间为2-4小时； 3)利用混料机进行混料，混料时间2-4小时； 4)将均匀混和后的混合粉末装入塑料桶密封储存。 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗德，王永田，刘姝女，
申请(专利权)人：华北电力大学，北京华电宏阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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