一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金技术

本发明专利技术涉及激光增材制造技术领域，具体公开了一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金，所述钛合金表面改性方法包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

Surface modification of titanium alloy and surface modification of titanium alloy

The invention relates to the technical field of laser material addition manufacturing, and specifically discloses a surface modification method of titanium alloy and a surface modification titanium alloy. The surface modification method of titanium alloy includes the following steps: S1. surface pretreatment of titanium alloy substrate to be cladded; S2. preparation of cladding material: spherical powder of titanium carbide and spherical powder of titanium alloy. After drying, mixing the powder evenly according to the mass ratio of 30 to 40; 60 to 70, the mixed powder can be obtained; S3. Laser cladding: After the mixed powder in No. 2 is conveyed to the cladding area through powder feeder in inert gas atmosphere, laser is used to irradiate the surface of Titanium alloy to be cladded, and the cladding begins with the path set by the manipulator. The surface modification of titanium alloy was completed by layer-by-layer cladding, and stress treatment was carried out immediately after completion of thermal insulation.

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金
本专利技术涉及激光增材制造
，更具体地，涉及一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金。
技术介绍
目前钛合金表面改性的办法有几种。第一种，采用真空渗氮的方式，在钛合金表面产生陶瓷层，这种办法能够提高钛合金表面的硬度，硬化层深度不深，只能实现50μm的硬化涂层。第二种，采用气相沉积的方式，采用气相沉积的办法也能够在钛合金表面实现硬化层，这种办法得到的硬化层厚度不超过15μm，而且是非冶金结合。第三种，采用离子注入的方式，离子注入是直接将离子注入到钛合金基体里面，提高钛合金表面的硬度和耐磨性，这种方法产生硬化层厚度在50μm左右。第四种，采用微弧氧化的办法，这种办法能够在钛合金表面实现硬化陶瓷层的生长，存在的问题在于生长上的陶瓷层不是冶金结合，容易产生脱落。中国专利CN201710999903.9公开了一种TC4钛合金激光熔覆增强涂层的制备方法，其包括对基体进行预处理；将碳化钛粉末和TC4钛合金粉末平铺在基体表面；将混合合金粉末利用高功率半导体激光器熔覆在基体的表面等步骤。在该专利中，碳化钛粉末起到类似于功能相的作用，对涂层耐磨度、硬度起到决定作用，而钛合金粉末起到类似于粘结相的作用；当碳化钛粉末含量加入量少，会影响涂层的耐磨度和硬度；当碳化钛粉末含量加入过多，由于是热加工，会存在很大的热应力，熔覆过程中会出现开裂的现象，尤其是涂层厚度越厚，越容易开裂，并且从该专利的SEM金相图中并没有明显看到碳化钛的痕迹。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种钛合金表面改性方法及其表面改性钛合金，通过优化混合合金粉末配比，采用激光多层熔覆技术，有效解决开裂问题，并且熔覆后碳化钛以颗粒的形式存在于熔覆层内，兼具熔覆厚度和整体硬度。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。进一步地，步骤S1中所述预处理是指先将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。进一步地，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％，更规则的球形粉末能有效防止开裂。进一步地，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉末颗粒为50～150μm。进一步地，步骤S2中所述烘干是指在100摄氏度的烘干箱中完成。进一步地，步骤S3中所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W，熔覆功率为1000～2000W，激光光斑直径为1～5mm，光斑直径太小，导致本专利技术的熔覆层品质不高，并且效率不高，光斑直径太大，在熔覆工程中容易产生缺陷。进一步地，步骤S3中所述送粉器的送粉量为5～20g/min。进一步地，步骤S3中所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8～12mm/S，搭接率为35～50％。进一步地，步骤S3中所述逐层熔覆的每层厚度为0.3～1mm。本专利技术还提供一种采用上述方法制备得到的表面改性钛合金。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术钛合金表面改性方法通过优化熔覆材料的粉末配比以及工艺步骤，碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末按照质量比30～40:60～70混合均匀，在熔覆过程中不会产生开裂，并且保证了整体硬度和耐磨度；边熔覆边送粉的方式，极大的提高了工作效率；采用多层熔覆的方式，在惰性气体保护下，可以灵活调整熔覆厚度，熔覆完成后放入保温炉或热处理炉内进行去应力处理，有效解决开裂问题，使得碳化钛球形粉末将完整的以颗粒状形式存在熔覆层中，本工艺生产效率高，可以实现大批量生产。本专利技术表面改性钛合金的熔覆层与钛合金基板是冶金结合，具有良好的结合强度，可以实现0～3mm硬化层，有效解决了开裂的问题，其中碳化钛以颗粒的形式存在熔覆层内，整体硬度可以达到65HRC以上，大大提高钛合金表面的硬度及耐磨性，增加了钛合金的使用寿命。附图说明图1本专利技术激光熔覆层的SEM金相图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本专利技术的不当限定，本专利技术可以由
技术实现思路
限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、化合物和设备为本
常规试剂、化合物和设备。本专利技术提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。本专利技术在步骤S1中将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。步骤S2中首先把碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干，混合会更均匀，并且碳化钛和钛合金采用球形粉末，优选球形度大于80％，粉末颗粒为50～150μm，更规则的球形粉末能有效防止开裂。并且在此基础上进一步优化了粉末配比，由于碳化钛粉末起到类似于功能相的作用，对涂层耐磨度、硬度起到决定作用，当碳化钛球形粉末的质量百分比低于30％时，熔覆层的硬度和耐磨性均有提升，硬度提升至50HRC～60HRC，耐磨性提升50％～70％，超过30％时，硬度达到65HRC左右，耐磨性提升超过70％，而当碳化钛球形粉末的质量百分比高于40％时，虽然相比上述所述质量配比硬度和耐磨性有所增加，但是熔覆层容易开裂，尤其厚度越厚越容易开裂。本专利技术为了将上述粉末配比达到最佳熔覆效果，步骤S3中采用先开惰性气体再开启送粉器送混合粉末，最后开启激光，以防止钛合金基材的烧伤和氧化，极大的提高了工作效率，结合多层熔覆的方式，在惰性气体保护下，可以灵活调整熔覆厚度，并且熔覆层不易开裂，碳化钛球形粉末将完整的以颗粒状形式存在熔覆层中，在本步骤中，当碳化钛球形粉末的质量百分比高于40％时，第一、二层熔覆的时候通常情况下不会开裂，但是到第三层或者第三层以上熔覆的时候就会出现开裂现象。本专利技术为了熔覆效果更好，更进一步地优化了工艺，所述激光器为光纤激光器，激光器功率为1～4000W，熔覆功率为1000～2000W，激光光斑可以选用圆形或矩形光斑，优选直径为1～5mm的圆形光斑，光斑直径太小，导致本专利技术的熔覆层品质不高且效率低，光斑直径太大，在熔覆工程中容易产生缺陷。所述送粉器的送粉量为5～20g/min，所述逐层熔覆时激光熔覆扫描速度为8～12mm/S，所述逐层熔覆的每层厚度为0.3～1mm，每一道都用同样的搭接量，保证搭接平整，优选搭接率为35～50％，避免影响产品平整度，每一道的熔覆方向可以是同方向熔覆，也可以是双向往复熔覆，最终选择哪种熔覆方向可以根据工件实际情况和效率来定。每一层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.钛合金基材待熔覆表面预处理；S2.熔覆材料配制：将碳化钛球形粉末与钛合金球形粉末烘干后，按照质量比30～40；60～70混合均匀，得到混合粉末；S3.激光熔覆：在惰性气体气氛下通过送粉器将步骤S2中混合粉末输送到待熔覆区域后，采用激光器发射激光照射钛合金待熔覆表面，配合机械手设定好的路径开始熔覆，采用逐层熔覆的方式完成钛合金表面改性，完成后立即保温进行应力处理。2.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理是指先将钛合金表面用砂纸打磨光洁去除氧化膜，然后再用丙酮溶液清除干净表面的油污和锈迹。3.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的球形度大于80％。4.根据权利要求1所述钛合金表面改性方法，其特征在于，步骤S2中所述碳化钛球形粉末和钛合金球形粉末的粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楠，覃喆华，李卫平，唐基宇，李文，袁谷清，张云辉，程畅栋，罗全，
申请(专利权)人：株洲辉锐增材制造技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43