一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料，由20～65wt% Ti粉、25～75wt% TiBCN陶瓷粉末和2～10wt% B

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料
本专利技术属于材料表面强化
，涉及一种陶瓷复合材料，特别是一种用于激光熔覆强化钛合金表面的陶瓷复合材料。技术背景钛合金密度小，比强度高，具有良好的耐蚀性和疲劳抗力，广泛应用于航空航天、国防、汽车、医疗等领域。但钛合金的摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感。硬度、耐磨性及高温抗氧化性差的缺点制约了其更广泛的应用。激光熔覆技术是指以不同的添料方式在熔覆基体表面放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，以显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到基体表面改性或修复的目的。激光熔覆技术既能满足对材料表面特定性能的要求，又可以节约大量的贵重元素。由于激光熔覆技术具有无污染、制备出的涂层与基体呈冶金结合等优点，已成为当代金属或合金表面改性的研究热点。与其他表面技术相比，激光熔覆技术涂层厚度可控，且熔覆层为快速凝固组织，对基体热影响不大，己经在许多高价值零件如航空发动机涡轮叶片等的修复、再制造以及零件表面性能的提高等方面得到很好的应用。采用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆陶瓷涂层，或金属-陶瓷颗粒增强的复合材料涂层，形成强韧性良好的激光熔覆层，是提高钛合金表面耐磨性能的有效途径。激光熔覆陶瓷涂层按其涂层组成，目前可分为陶瓷涂层、金属陶瓷复合涂层、原位自生陶瓷涂层等几种。由于陶瓷与金属基体的性能参数差别很大，一般情况下，在金属表面熔覆陶瓷涂层时需要增加一层过渡组织，即预涂一层Ni、Cr、Co、Al、Y等的连结层，然后再在连接层上激光熔覆陶瓷层。陈传忠等(45钢表面激光熔敷陶瓷涂层的研究[J].金属学报,1999,35(9):989-994.)以NiCrAl为过渡层，在45钢表面激光熔覆Al2O3陶瓷涂层，得到了均匀连续的陶瓷激光熔覆层。但是，由于Al2O3陶瓷涂层与NiCrAl连接层之间，以及NiCrAl连接层与45钢基体之间均为机械结合界面，陶瓷涂层较大的脆性使得涂层与基体的结合强度不足，再加上熔覆层表面成型质量较差等问题，导致陶瓷涂层容易开裂、脱落。激光熔覆原位制备陶瓷涂层具有工艺简单、陶瓷颗粒分布均匀、陶瓷相与基体界面处无污染、相溶性和润湿性较好以及界面结合强度较高的优点，可望避免发生界面处的裂纹扩展现象，能够与金属基体形成冶金结合的激光熔覆层。激光熔覆原位生成技术是近些年来新兴的表面强化技术。激光熔覆原位生成熔覆层不仅与基体之间实现了冶金结合，而且原位涂层厚度可以在几十微米到几毫米之间变化，大大提高了涂层厚度和涂层与基体的结合能力，同时熔覆层具有优异的抗磨和抗腐蚀性能。王明华(金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展[J].航空学报,2002,23(5):473-479.)分别以元素氮及元素碳为合金元素，对BT9、TC4等钛合金进行激光表面合金化，利用氮气及碳粉与钛合金表面激光熔化高温熔池之间的冶金化学反应，在钛合金表面制得了以高硬度高耐磨TiN及TiC初生树枝晶为耐磨相的“原位”耐磨复合材料表面改性层。改性层与钛合金基材间为完全梯度渐变冶金结合、平均硬度达1000Hv以上，实验室常温干滑动磨损试验结果表明改性层的耐磨性较钛合金基材提高了45～93.8倍。但是其基材表面熔覆的改性层厚度有限，只在0.4～2.0mm内可调。文向东等(钛合金表面激光熔覆原位制备Ti-B-C复合陶瓷涂层质量控制[D].南华大学,2013)以TiC和TiB2为原料，采用预置涂层的方式，激光熔覆原位制备Ti-B-C复合陶瓷涂层，其硬度最大可以达到1240Hv。但其存在预置涂层厚度不好控制的问题，且不利于调节涂层厚度。虽然采用高温性能优良的TiB和TiB2强化的钛基复合涂层在钛合金高温强化方面表现出了一定的优势，也开始逐渐成为制备各种结构涂层材料的有效手段之一，但其基本上都是通过熔化所添加的混合材料与基材微熔的方式来制备熔覆层。虽然熔覆层与基材之间也能呈冶金结合，但由于熔覆层与基材之间的互熔量太低，还是会使结合强度不够好。而且较少考虑通过基材与粉末之间的原位反应来制备熔覆层，不易进一步减少工业应用中的成本投入。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料，以提高钛合金的表面耐磨性能。本专利技术所述的陶瓷复合材料是由以下质量百分含量的原料混合制成的：Ti粉　　　　　　　　20～65wt%TiBCN陶瓷粉末　　　25～75wt%B4C粉末　　　　　　2～10wt%。具体地，本专利技术所述的陶瓷复合材料中，优选所述Ti粉和TiBCN陶瓷粉末的粒度不小于100目，B4C粉末的粒度不小于500目。本专利技术陶瓷复合材料使用的主要原料TiBCN陶瓷粉末是一种对TiCN进行硼化处理获得的新材料，其相当于在TiN的空位中又固溶进去了B和C元素，不但具有高的硬度，还具有良好的韧性。因此，TiBCN陶瓷粉末非常适合作为熔覆材料，特别是适合于进行以钛合金为基体材料的激光熔覆。在激光熔覆的过程中，TiBCN增强相发生局部熔化，其组织形貌由多种因素影响，包括熔化熔体凝固过程中的动力学条件、热力学条件及TiBCN的晶体结构等。TiBCN陶瓷粉末材料具有四元NaCl型面心立方(fcc)晶体结构，可视为是由fcc-TiB，fcc-TiC和fcc-TiN三种基元化合物复合而成。其Ti原子位于面心立方点阵(000)晶格结点位置，处于八面体中心，B、N和C原子分别位于点阵的(1/2,0,0)位置，晶胞内各原子呈中心对称排列，使得Ti(B,C,N)在对称晶面上的生长速率一样，在凝固过程中容易形成规则、对称的组织，故而形成的熔覆涂层组织均匀致密，硬度得以提高。熔覆涂层硬度的提高主要归因于其熔覆材料TiBCN本身的硬度，以及激光熔覆过程中形成的TiC、TiB、TiB2等硬质相和细小致密的组织结构。TiBCN粉末的熔点远高于Ti的熔点1668℃。因此，熔覆过程中，金属Ti基体熔化，而TBCN粉体颗粒不熔化，或仅边缘熔化。TiBCN颗粒在Ti熔体的对流作用下，固化连接在一起并生长。TiBCN的生长形貌不仅与凝固过程中的热力学和动力学条件有关，而且与TiBCN的晶体结构有关。由于TiBCN为面心立方结构，Ti原子与轻原子B、C、N在单胞内交替排列，并成完全中心对称结构，导致TiBCN在对称晶面的生长速率相同，因此容易生成有规则的、对称的晶体形貌，或等轴球形颗粒，相邻TiBCN颗粒也会按自组织规律完成结晶连接过程，在钛合金基材表面制备成良好的TiBCN熔覆涂层，无明显变形和裂纹，熔覆涂层与基体过渡平稳、均匀，形成了致密的冶金连接，不易剥落。然而，TiBCN块体的硬度与TiN处于相同水平，低于TiC和TiCN。因此，本专利技术在TiBCN陶瓷粉末中添加少量的B4C来进一步提高其硬度。一方面，B的固溶给TiBCN带来一些前所未有新特性，使TiBCN陶瓷粉末可以在加热过程中析出TiB2强化相和促进其周边发生界面反应析出新强化相。另一方面，B4C、Ti可发生原位反应B4C+3Ti=2TiB2+TiC，增加TiC、TiB2硬质强化相来增强熔覆涂层的硬度；再按B4C+5Ti=4TiB+TiC反应，使TiB、TiB2弥散本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料，是由以下质量百分含量的原料混合制成：Ti粉　　　　　　　　20～65wt%TiBCN陶瓷粉末　　   25～75wt%B

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料，是由以下质量百分含量的原料混合制成：Ti粉　　　　　　　　20～65wt%TiBCN陶瓷粉末　　25～75wt%B4C粉末　　　　　2～10w...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉新，吴利芸，白培康，刘斌，张鹏飞，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14