一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。所述复合梯度涂层为：在钛合金表面原位生成第1梯度层，然后依次在第N‑1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i‑1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层以及第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N‑1。

Ti5Si3 dispersion reinforced Al3Ti based composite gradient coating produced in situ on titanium alloy surface and preparation method thereof

The invention relates to the field of surface modification of titanium alloy, in particular to a Ti5Si3 dispersion reinforced Al3Ti based composite gradient coating in situ formed on the surface of titanium alloy and a preparation method. The composite gradient coating is that the first gradient layer is formed in situ on the titanium alloy surface, and then the N gradient layer is in situ formed on the N 1 gradient layer, and any gradient layer is Ti5Si3 dispersion enhanced Al3Ti based composite gradient layer, and there is a I gradient layer in all the coatings, and the content of Ti5Si3 in the I gradient layer is greater than that of I. The content of Ti5Si3 in the 1 gradient layer, and the content of Ti5Si3 in the I gradient layer is greater than the content of Ti5Si3 in the gradient layer; the content of Ti5Si3 in the first gradient layer to the I gradient layer and the gradient layer of the i+1 gradient to the N gradient layer is increasing in turn, and the I greater than or equal to 2 is less than equal to that of N 1.

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法
本专利技术涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。
技术介绍
钛合金具有低密度、高强度、高模量及其耐腐蚀和生物相容性好等优异的物理化学性能，已广泛被应用于航空航天、机械、化工和生物医疗等领域。但由于其硬度低、耐磨性能差和高温易发生氧化等缺点，限制其作为高温、磨损等零部件的应用。由于磨损和氧化主要发生在材料表面，通常采用表面改性技术，在钛合金表面制备硬度高、抗高温氧化和耐磨损的涂层，改善钛合金的摩擦学性能及其高温抗氧化性能。目前，热喷涂、化学气相沉积、微弧氧化和激光粉末沉积等方法被广泛用于钛及钛合金的表面改性。相比激光粉末沉积，其它方法工艺比较复杂，制备涂层的步骤比较多。而激光粉末沉积，通过激光辐射在钛合金表面形成熔池，同时利用送粉器将粉末注入熔池内，粉末熔化并与熔池内熔融钛合金反应，原位生成表面涂层。现有采用激光粉末沉积法所制备的Al3Ti基复合涂层中，一般采用单层均匀材质；这导致一旦涂层开始出现纵向损伤；后期的磨损速度就会急剧加快。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3梯度层，依次类推，直至在第N-1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N-1。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；单个梯度层的厚度为50-300微米。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti5Si3的体积百分含量小于等于10％。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti5Si3呈纳米和/或微米颗粒弥散分布于Al3Ti基体中。作为优选方案，本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；第1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为3-5％。本专利技术中，第p梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为第p-1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量的1.05-1.1倍；所述p小于等于i。同时第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量。作为优选，当N为整数时，i＝N/2；当N为奇数时，i＝(N+1)/2，所述N大于等于4。进一步优选，所述N大于等于6。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；步骤一以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按原子比89：10：1组成；步骤二以粉末A和Ti粉的混合粉末作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；步骤三更换原料，重复步骤二，在第q层梯度层上沉积第q+1梯度层；沉积第q+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第q层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；所述q+1小于等于i；所述i＝N/2或(N+1)/2，所述N为所设计梯度层的总层数；步骤四更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第i梯度层上沉积第i+1梯度层；沉积第i+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i层梯度层所用原料中Ti含量的0.9-0.98倍；步骤五更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第i+s梯度层上沉积第i+s+1梯度层；沉积第i+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；直至得到第N梯度层。在工业上应用时，可以按设计组分配置好各原料；也可在送粉过程中，通过气流各组分原料，最后通过气流对喷的方式混料；如管道G1输送粉料A；管道G2输送Ti粉；管道G1的出粉口正对管道G2的出粉口，通过控制气流的载分量和气体流速，控制Ti粉和粉料A的比例；通过对喷，实现其均匀混合，均匀混合后，通过输送设备铺设于指定位置。本专利技术一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，激光功率为100-220W、优选为180-205W；激光扫描速度为200-700mm/s、优选为280-320mm/s；Ti6Al4V送粉量为0.1-0.5cm3/min、优选为0.15-0.25cm3/min。本专利技术所设计和制备的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti5Si3的Al3Ti基涂层的1.5倍以上。尤其是在高温条件下，其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti5Si3的Al3Ti基涂层的2.2倍以上。原理和优势涂层在使用过程中，裂纹和显微剥落是难以避免的；本专利技术一改当前耐磨涂层的设计理念，即在磨损过程中不产生裂纹和显微剥落这一设计理念；本专利技术在涂层设计时，秉承的原则为：使用初期或者使用前要尽量避免裂纹的产生和显微剥落现象的出现，一旦出现了细微裂纹和显微剥落，靠近基底的涂层还必须具备实现细微裂纹的自修复功能。本专利技术巧妙的在梯度层中，设计了第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；这样设计为第i层以及第i以下涂层的自修复提供了必要条件。本专利技术在原位生成的Al3Ti高温涂层中得到弥散的Ti5Si3；Ti5Si3具有低密度(4.26g/cm3)、高硬度(900-1000HV)、高熔点(2130℃)等特点，有利于提高涂层的耐磨、耐高温性能，同时弥散分布的Ti5Si3有利于减小材料的内部应力，缓解裂纹的产生。附图说明图1为本专利技术所设计梯度涂层的结构示意图；图2为本专利技术实施例1所得产品中第1梯度层的扫描电镜图。具体实施方式实施例1一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；步骤一以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按质量比89：10：1组成；第1梯度层的厚度为100微米；步骤二用粉末A和Ti粉作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3梯度层，依次类推，直至在第N‑1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i‑1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N‑1。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3梯度层，依次类推，直至在第N-1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N-1。2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：单个梯度层的厚度为50-300微米。3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在任意一涂层中Ti5Si3的体积百分含量小于等于10％。4.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：在任意一涂层中Ti5Si3呈纳米和/或微米颗粒弥散分布于Al3Ti基体中。5.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：第1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为3-5％；第p梯度层中Ti5Si3的体积百分含量为第p-1梯度层中Ti5Si3的体积百分含量的1.05-1.1倍；所述p小于等于i；同时第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i-1梯度层中Ti5Si3的含量，且所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量。6.根据权利要求1所述的一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层；其特征在于：当N为整数时，i＝N/2；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文胜，刘阳，马运柱，刘超，张诚，伍镭，王涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43