一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层制造技术

本发明专利技术公开了一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，所述强化涂层包括致密纳米尺度颗粒增强层和界面过渡层，不含大尺度枝晶增强相，所述致密纳米尺度颗粒增强层具有粒径≤50nm的超细纳米颗粒密堆结构特征，显微观察呈织构状形态分布，其厚度>700μm；界面过渡层位于致密纳米尺度颗粒增强层和钛合金基体之间，厚度介于100-600μm之间；界面过渡层与致密纳米尺度颗粒增强层之间的硬度过渡为梯度过渡，与钛合金基体之间的硬度过渡也为梯度过渡。本发明专利技术的自生纳米颗粒激光强化涂层组织均匀，在提高钛合金表面硬度的同时能够兼顾较厚的强化层厚度和极佳的强度梯度分布行为，从而有利于强化表面长期稳定工作。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层（一）
本专利技术属于钛合金表面强化处理技术，具体涉及一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层。（二）
技术介绍
钛合金是近年来获得广泛应用的一种具有优秀综合性能的金属材料，目前多用于制作叶片、叶盘以及各类泵阀等高速过流部件。钛合金部件目前公认的有效强化手段主要为表面氮化处理。传统使用较多的是高温氮化技术，包括高温气体氮化、离子氮化等。但一般均存在氮化层厚度过薄（几微米到几十微米）、需要整体高温加热以及氮化过程中整体气氛要求严格等缺点，致使氮化效率不高，尤其是对大尺寸部件应用困难等。针对这一问题，随着激光技术的发展，人们又提出了激光气体氮化技术，该技术是一种局部强化技术，通过高温下激光熔池中的液态钛与周围气氛中的氮发生反应获得高硬度的含氮增强相实现强化。该技术具有不需要整体高温加热、硬化深度大（数十微米到数百微米）、仅需局部气氛保护等优点，因此引起了广泛的兴趣。但其参加反应的氮含量难以精确控制导致高的裂纹敏感性、强化层内存在不利于性能改善的粗大枝晶相（尺寸一般在数微米到数十微米）以及表面粗糙等问题，极大的限制了该技术在生产实践中的应用。因此目前工业上急需一种既能够发挥表面高硬度强化层高强度特性，又能够兼顾长期稳定工作的钛合金表面氮化强化技术。针对传统激光氮化技术存在的问题，这里提出了一种新的、具有氮含量高度可控的钛合金表面激光纳米氮化处理技术。（三）
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛合金表面的新型激光纳米氮化复合涂层，在提高钛合金表面硬度的同时能够兼顾较厚的强化层厚度，从而有利于长期稳定工作。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，其制备方法包括如下步骤：（1）对钛合金表面待处理区域进行表面清洁处理；（2）在步骤（1）处理后的钛合金表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，根据表面几何构形进行激光辐照，在激光作用过程中采用保护性气氛对激光作用区进行保护，从而在钛合金表面获得强化涂层；所述特殊增强材料粉末是下列三类物质的混和粉末：①Ti单质、②合金、③含氮化合物，所述的合金选自下列任意几种金属形成的合金：W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，所述的含氮化合物为在500～4000℃能够参加熔池反应并提供N元素的化合物；以特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物质量为100%计，其中Ti的质量百分比在40～90％之间，合金的质量百分比在0～16%之间，含氮化合物的质量百分比在0.5～15%之间，并且粘结剂的质量百分比≦50%。本专利技术所述的具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，包括致密纳米尺度颗粒增强层和界面过渡层，均不含大尺度枝晶增强相，两涂层是在激光处理过程中一次性获得。激光在基体表面作用过程中作用区域表面发生熔化，Ti与含氮化合物进行溶解反应，并在后续凝固过程中通过自生反应析出，形成致密纳米尺度颗粒增强层，致密纳米尺度颗粒增强层具有粒径≤50nm的超细纳米颗粒密堆结构特征，显微观察呈织构状形态，其厚度根据处理工艺参数的不同一般>700μm；界面过渡层位于致密纳米尺度颗粒增强层和钛合金基体之间，厚度根据处理工艺参数的不同一般介于100-600μm之间，其与致密纳米尺度颗粒增强层之间的硬度过渡为梯度过渡，与钛合金基体之间的硬度过渡也为梯度过渡。下面对技术方案做具体说明。本专利技术步骤（1）中，所述的表面清洁处理即为常规的除油、除锈等清洁处理。本专利技术步骤（2）中预置的材料为特殊增强材料粉末和粘结剂，所述特殊增强材料粉末中，单质Ti主要起基相作用，合金兼具基相和强化作用，可选自下列任意几种的组合：W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，优选所述合金为Al、V、Mo和Zr的组合，其中Al、V、Mo和Zr的质量比为1：0.05～0.95：0.05～0.45：0.05～0.55；或优选所述合金为Al、V和Mo的组合，其中Al、V和Mo的质量比为1：0.10～0.76：0.05～0.35；或者优选所述合金为Al和V的组合，其中Al和V的质量比例为1：0.45～0.85。在配制混和粉末过程中，除可将Ti、合金和含氮化合物直接混和外，为进一步提高混和的均匀性，还可以先将单质Ti和合金按照上述成份范围制成预制粉末，然后再与含氮化合物混和。含氮化合物主要起强化作用，可以是TiN、BN、Ti(C,N)等。本专利技术预置的材料中加入粘结剂可以提高特殊增强材料粉末的附着能力，粘结剂可选自下列一种或任意几种的组合：胶水、香蕉水、纤维素或环氧树脂等。本专利技术步骤（2）预置的特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100%计，优选其中Ti的质量百分比为51～90％，合金的质量百分比为3～14％，含氮化合物的质量百分比为1～12.8％，粘结剂的质量百分比为5～40％。更优选Ti的质量百分比为59～85.5％，合金的质量百分比为3.5～13.5％，含氮化合物的质量百分比为1～11％，粘结剂的质量百分比为10～30％。本专利技术在表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂后，根据表面几何构形选择一定经整形后的光束进行激光处理，所述的经整形后的光束为圆形光斑或环形光斑光束。采用圆形光斑时，焦点处光斑直径在0.5mm～60mm之间；采用环形光斑时，焦点处光斑内直径不小于0.5mm，外直径不大于60mm。所述的激光处理的工艺参数推荐如下：采用激光辐照时，激光功率≥300W，激光功率密度≥104W/cm2，扫描速度≥0.01m/min，多道扫描时搭接量5～90％；进一步，优选激光功率600～2500W，激光功率密度104～106W/cm2，扫描速度0.05～0.8m/min，多道扫描时搭接量10～30％；本专利技术激光处理过程中的保护性气氛推荐为惰性气体气氛，如氩气、氦气等。本专利技术所述的复合涂层，具有低倍下呈微观织构特征、高倍下呈纳米尺度颗粒密堆特征的两级精细结构，激光强化层内不含大尺寸（微米量级）枝晶状强化相。本专利技术可以通过如下步骤形成更大厚度的复合涂层：在上述步骤（2）获得的强化涂层表面通过激光熔覆或电子束沉积或堆焊的方式制备一层不含增强成分的纯钛或钛合金基底层，然后在其上重复步骤（1）和步骤（2）的操作，从而可在钛合金表面形成包含多个复合涂层形成“硬－软－硬”多层结构的强化涂层。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1．采用本方法能够有效的控制参加反应的N以及其它强化成分的含量，解决了传统激光表面氮化过程中参加反应的强化成分含量难以精确控制的难题；2．本专利技术的多级精细结构强化涂层能提高钛合金表面硬度，且强化层厚度大，硬度呈梯度分布，增强相尺寸细小，不存在易导致裂纹的粗大的微米和/或十微米量级TiN枝晶，从而有利于涂层长期稳定工作；3．该复合结构强化层工艺简单，可靠性好，易于获得，不需要复杂的气氛保护，仅在大气条件下采用Ar、He等惰性气体进行局部保护即可获得高质量复合结构多层强化层；4．通过变化不同工艺参数与表面施涂材料，可以获得不同表面硬度与综合性能的夹心结构来适应不同的表面强化应用领域，适用面广。(四）附图说明图1为实施例1制得的强化涂层的致密纳米尺度颗粒增强层的微观织构显微照片。图2为实施例1制得的强化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，其制备方法包括如下步骤：（1）对钛合金表面待处理区域进行表面清洁处理；（2）在步骤（1）处理后的钛合金表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，根据表面几何构形进行激光辐照，在激光作用过程中采用保护性气氛对激光作用区进行保护，从而在钛合金表面获得强化涂层；所述特殊增强材料粉末是下列三类物质的混和粉末：①Ti单质、②合金、③含氮化合物，所述的合金选自下列任意几种金属形成的合金：W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，所述的含氮化合物为在500～4000℃能够参加熔池反应并提供N元素的化合物；以特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物质量为100%计，其中Ti的质量百分比在40～90％之间，合金的质量百分比在0～16%之间，含氮化合物的质量百分比在0.5～15%之间，并且粘结剂的质量百分比≦50%。

【技术特征摘要】
1.一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，其制备方法包括如下步骤：(1)对钛合金表面待处理区域进行表面清洁处理；(2)在步骤(1)处理后的钛合金表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，根据表面几何构形进行激光辐照，在激光作用过程中采用保护性气氛对激光作用区进行保护，从而在钛合金表面获得强化涂层；所述特殊增强材料粉末是下列三类物质的混和粉末：①Ti单质、②合金、③含氮化合物，所述的合金选自下列任意几种金属形成的合金：W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，所述的含氮化合物为在500～4000℃能够参加熔池反应并提供N元素的化合物；以特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物质量为100％计，其中Ti的质量百分比在40～90％之间，合金的质量百分比在0～16％之间，含氮化合物的质量百分比在0.5～15％之间，并且粘结剂的质量百分比≦50％；所述的具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层包括致密纳米尺度颗粒增强层和界面过渡层，均不含大尺度枝晶状增强相，所述致密纳米尺度颗粒增强层具有粒径≤50nm的超细纳米颗粒密堆结构特征，显微观察呈织构状形态，其厚度>700μm；界面过渡层位于致密纳米尺度颗粒增强层和钛合金基体之间，厚度介于100-600μm之间；界面过渡层与致密纳米尺度颗粒增强层之间的硬度过渡为梯度过渡，与钛合金基体之间的硬度过渡也为梯度过渡。2.如权利要求1所述的钛合金激光强化涂层，其特征在于：以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100％计，其中Ti的质量百分比为51～90％，合金的质量百分比为3～14％，含氮化合物的质量百分比为1～12.8％，粘结剂的质量百分比为5～40％。3.如权利要求2所述的钛合金激光强化涂层，其特征在于：以特殊增强材料粉末和粘结剂的总质量为100％计，其中单质的质量百分比为59～85.5％，合金的质量百分比为3.5～13...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维夫，胡霄乐，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33