用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法技术

本发明专利技术属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。该熔覆层采用激光熔覆技术，熔覆粉末包括65wt％TC4，5wt％Cu，28～30wt％Ni60，0～2wt％Y

Rare earth laser cladding with copper and titanium for titanium alloy and its preparation

【技术实现步骤摘要】
用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法
本专利技术属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。
技术介绍
Ti-6Al-4V(TC4)合金具有高比强度、优良的中低温性能和低密度等优点，可满足航空发动机高推重比、高可靠性和长寿命的设计需求，是航空发动机压气机叶片、风扇叶片、机匣和发动机挂架的重要选材。然而，钛合金硬度低，耐磨性差，在航空发动机高速气动载荷和复杂震动条件下，发动机的钛合金零部件将因吸入空气中的异物而产生划痕和磨损，破坏了钛合金部件的结构强度和气动外形，不利于航空发动机运营可靠性和安全性。激光熔覆是一项快速高效的表面改性技术，制备的熔覆层与基体结合强度高，材料利用率高。因此，对于钛合金硬度和耐磨性不足等问题，国内外研究机构展开了一系列的激光表面改性研究，以改善钛合金表面的摩擦磨损性能。镍基自熔性合金含有B和Si元素，可增加熔池流动性，保证熔覆层与基材的润湿性。此外，镍基自熔性合金提供的Ni、C和B等元素与钛生成硬质相，改善熔覆层的摩擦磨损性能。因而，Ni60自熔性合金粉末被广泛运用于钛合金表面激光熔覆。使用镍基自熔性合金制备的熔覆层可有效的改善钛合金表面的耐磨性，但激光熔覆快速加热冷却的工艺特点，易导致熔覆层出现应力集中，熔覆层中生成的粗大硬质相极易萌生裂纹，破坏熔覆层的成形质量。Cu热导性好，熔点低，在材料体系中添加Cu可减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量，提高强韧性，但熔覆层易出现气孔缺陷，不利于熔覆层的成形质量，限制含铜激光熔覆层在钛合金表面改性和损伤修复的工业化运用。
技术实现思路
为了应对上述激光修复层中存在的不足问题，本专利技术的目的在于提供用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。改善激熔覆层的成形质量，提高钛合金表面的摩擦磨损性能。钛基复合材料体系使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti2Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y2O3，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y2O3以细小颗粒状分布在析出相边界处，阻碍晶粒的固-液界面移动，抑制硬质相的晶粒长大；同时，Y2O3可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层析出相，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性能，磨损表面光滑平整，改善熔覆层摩擦磨损性能。为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案为：一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y2O3粉末制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；所述熔覆层使用的熔覆粉末中各组分按质量百分数记，包括65wt％TC4粉末，5wt％Cu粉末，28～30wt％Ni60粉末，0～2wt％Y2O3粉末。进一步，所述TC4粉末实测化学成分按质量百分数记，包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。进一步，所述TC4球形粉末粒度分布在20～110μm之间。进一步，所述Ni60粉末实测化学成分按质量百分数记，包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。进一步，所述Ni60球形粉末粒度分布在40～110μm之间。进一步，所述Cu粉末纯度>99％。进一步，所述Cu粉末粒度分布在40～100μm之间。进一步，所述Y2O3粉末纯度>99％。进一步，所述Y2O3粉末粒度分布在10～60μm之间。更进一步，上述用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层的制备方法，其步骤如下：S1、对基材和粉末进行形貌和成分检测；S2、制备熔覆基体材料：将钛合金板材切割成一定尺寸的基材，去除表面污物及氧化膜，然后放置于无水乙醇中超声波清洗一定时间，放入真空干燥箱中；S3、制备熔覆粉末材料：将粉末按各组分设计比例进行配制并混合均匀，实验前将放置在真空干燥箱中80℃恒温干燥10h，熔覆前将粉末取出放入激光加工中心的送粉器粉筒中；S4、采用同轴送粉激光熔覆技术，将TC4+Cu+Ni60+Y2O3粉末熔覆在TC4合金表面，制备含铜钛基耐磨激光熔覆层。本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术提供了一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。本专利技术采用激光熔覆技术，材料体系中添加2wt％Y2O3，在钛合金表面制备无裂纹气孔缺陷，成形质量优良，组织细化，硬质相分布致密均匀的稀土添加含铜钛基激光熔覆层。钛基复合材料体系使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材良好的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti2Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y2O3，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y2O3可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层组织，改善熔覆层摩擦磨损性能。添加2wt％Y2O3，熔覆层无裂纹气孔缺陷，成形质量优良。Y2O3提高形核率，细化组织，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高的耐磨性能，磨损表面光滑平整，熔覆层摩擦磨损性能得到显著改善。该稀土添加含铜钛基激光熔覆层对钛合金表面改性和损伤修复具有重要意义，可延长钛合金零部件的服役寿命。附图说明图1为实施例1、实施例2中熔覆粉末形貌图；a：TC4粉末；b：Ni60粉末；c：Cu粉末；d：Y2O3粉末；图2为实施例1、实施例2制备的熔覆层表面宏观形貌和无损着色渗透探伤形貌图；a：实施例1宏观形貌；b：实施例2宏观形貌；c：实施例1着色渗透探伤结果图；d：实施例2着色渗透探伤结果图；图3为实施例1、实施例2制备的熔覆层横截面宏观形貌图；a：实施例1；b：实施例2；图4为实施例1、实施例2制备的熔覆层X射线衍射分析图谱；a：实施例1；b：实施例2；图5为实施例1、实施例2制备的熔覆层微观组织形貌图；a：实施例1；b：实施例2；...

【技术保护点】
1.一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y

【技术特征摘要】
1.一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：该熔覆层采用激光熔覆技术，在TC4合金表面熔覆TC4+Cu+Ni60+Y2O3粉末制备稀土添加含铜钛基激光熔覆层；所述熔覆层使用的熔覆粉末中各组分按质量百分数记，包括65wt％TC4粉末，5wt％Cu粉末，28～30wt％Ni60粉末，0～2wt％Y2O3粉末。


2.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述TC4粉末实测化学成分按质量百分数记，包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。


3.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述TC4球形粉末粒度分布在20～110μm之间。


4.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Ni60粉末实测化学成分按质量百分数记，包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。


5.如权利要求1所述的用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层，其特征在于：所述Ni60球形粉末粒度分布在40～110μm之间。

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【专利技术属性】
技术研发人员：张天刚，肖海强，张志强，姚波，杨凡，张倩，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12