增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，所述耐磨涂层位于所述钛合金基体表面，所述耐磨涂层包括底层和表层，所述底层为纯铜底层，所述表层为均布有耐磨微粒的含铜表层，钛合金基体与所述纯铜底层或含铜表层之间采用机械方式结合，所述含铜表层还均布有凹坑织构，所述织构为采用机械挤压或激光的方式在含铜表层的表面加工获得。本发明专利技术技术方案针对3D打印钛合金采用增材改性的思路，既不对3D打印金属表面减材打磨处理，又可以解决其粗糙度大的问题，同时还能改善其表面摩擦学性能，将有助于3D打印钛合金应用的进一步深入。将有助于3D打印钛合金应用的进一步深入。将有助于3D打印钛合金应用的进一步深入。

【技术实现步骤摘要】
增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层及其制备工艺


[0001]本专利技术属于3D打印金属表面处理
，具体设计一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层及其制备工艺。

技术介绍

[0002]选区激光熔化成形技术（SLM）是金属粉末增材制造技术（3D打印技术）的一种典型工艺，SLM工作原理是借助计算机辅助设计目标构件的三维模型，将导出的三维模型STL文件进行切片分层处理，然后将分层后的数据导入SLM设备，并用激光束按设定的轨迹对粉末进行熔化，如此反复，逐层堆积直到打印完成目标构件。
[0003]与激光熔化沉积、电子束熔化等增材制造技术相比，SLM的优势在于： ( 1) 激光束的能量密度高，粉层厚度和粉末粒径更小，因此，成形件的尺寸精度好，表面质量优异，致密度近乎 100%。( 2) 粉末床可以作为支撑，更适合复杂、精细零件的直接成形。( 3) 通过控制工艺参数可以更方便地改变激光能量密度，进而调控熔池的尺寸，可以实现对表面粗糙度、微观组织和性能的控制。( 4) 可以通过多激光束同时扫描的方式有效提高成形效率。
[0004]尽管如此，成形件表面粗糙度的控制仍是SLM技术的主要挑战之一。SLM 技术基于粉末床熔化，在成形件轮廓处的熔池凝固时容易粘附未完全熔化的粉末，使得成形件的轮廓处经常粘附不同尺寸的粉末颗粒，这将会影响最终成形件的力学性能。其次，由于成形件几何形状的复杂性决定了熔池形状和尺寸的各异性，使得成形件不同部位的粗糙度不同，扫描轨迹、粉体、工艺参数以及倾斜角度等工艺参数对SLM成形件表面粗糙度有不同程度的影响，这在很大程度上影响了增材制造零部件的应用范围和领域。
[0005]事实上，对于3D打印金属零部件来说，数微米甚至数十微米的表面粗糙度严重影响了其直接应用，因此在使用之前大都需要采用减材的方法进行表面打磨处理。而在采用涂层或镀层等表面技术改性处理方面，也同样需要先对3D打印金属零部件表面进行打磨预处理。对3D打印金属零部件采用减材的方法进行表面打磨处理，会产生较大的时间成本和加工成本，制约其更广泛的应用。
[0006]如何既不对3D打印金属表面减材打磨处理，又可以解决其粗糙度大的问题，同时还能改善其表面摩擦学性能，是一个很大的挑战，解决这个挑战将对3D打印金属在工业领域的应用产生重大影响。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层及其制备工艺，采用增材制造的思路，来提高3D打印金属部件表面的光洁度，改善其减摩耐磨性能。
[0008]本专利技术一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层的技术方案如下：所述耐磨涂层位于所述钛合金基体表面，所述耐磨涂层包括底层和表层，所述底
层为纯铜底层，所述表层为均布有耐磨微粒的含铜表层，钛合金基体与所述纯铜底层或含铜表层之间采用机械方式结合，所述含铜表层还均布有凹坑织构，所述织构为采用机械挤压或激光的方式在含铜表层的表面加工获得。
[0009]所述耐磨涂层表面不包含所述凹坑织构区域的粗糙度不超过0.8微米。
[0010]所述凹坑织构的深度超过所述钛合金表面轮廓的最低波谷。
[0011]所述凹坑织构区域材料的致密度大于其它无织构区域。
[0012]所述凹坑织构中填充有硬质耐磨颗粒和减摩组分。
[0013]所述硬质耐磨颗粒为纳米金刚石，所述减摩组分为石墨烯。
[0014]一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层的制备工艺，包括如下步骤：步骤1，3D打印钛合金工件的制备：使用金属3D打印机制备3D打印钛合金工件；步骤2，钛合金工件表面直接制备纯铜底层：将纯铜颗粒直接平铺在步骤1中获得的钛合金工件表面；步骤3，含铜表层的制备：将均匀混合耐磨微粒的纯铜颗粒平铺在步骤2中的纯铜底层表面，采用机械平面压制或滚压的方式实现纯铜颗粒与钛合金基体之间的结合，控制所述含铜表层的塑性变形不低于30%；步骤4，含铜表层织构的制备：采用机械挤压或激光处理的方式在含铜表层的表面加工获得凹坑织构，所述凹坑织构的密度不低于20%；步骤5，含铜表层的整理：采用机械方式对步骤4中获得的凹坑织构含铜表层进行滚压整理，获得平整表面。
[0015]进一步的，所述步骤（4）中机械挤压过程中，压头的下端部穿透所述纯铜底层，即获得的织构底部穿透所述纯铜底层。
[0016]所述步骤（4）中激光处理获得的凹坑织构底部穿透所述纯铜底层。
[0017]所述步骤（4）中，机械挤压过程中加载达到设定值后设有保压环节，保压时间不低于1分钟。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的积极有益效果如下：（1）在3D打印钛合金表面粗糙度问题处理上，本专利技术采用的“增材制造”思路，完全不同于现有技术的减材打磨加工。本专利技术中使用增材制造含铜耐磨涂层对3D打印钛合金表面处理，使用挤压加工方式制备含铜耐磨织构涂层，相比使用机加工抛光、激光抛光、化学抛光和电解抛光等减材处理方式效率更高，解决了SLM钛合金成形件硬度低脆性差难以进行表面减材加工的问题。
[0019]（2）本专利技术采用表面织构化后处理，有效增加了含铜金属涂层与3D 打印钛合金基体之间的结合强度。织构凹坑深度超过钛合金表面轮廓的最低波谷，意味着织构穿透了含铜耐磨涂层与3D打印钛合金基体直接的界面，有助于增强涂层和工件表面的结合强度。其中在织构制备过程中，机械挤压方式不仅利用挤压变形制备了织构，而且还专门设计了保压环节，该保压环节的保压时间远超过常规的硬度测试的保压时间，使得织构凹坑中的内表面受到较长时间的挤压作用，利用涂层与基体起伏轮廓之间的交错，在挤压过程中发生涂层和基体轮廓中凸起部分材料之间的相互变形，来有效提高了涂层与基体之间的结合强度。而进一步的，机械挤压的织构深度穿透纯铜底层，进入钛合金基体中，使得界面处的膜/基结合强度进一步提高。另一方面，激光织构的深度也穿透纯铜底层，进入钛合金基体中，
可以实现截面处涂层与基体之间的冶金结合，有效提高其结合强度。
[0020]（3）本专利技术很好地利用了织构和减摩耐磨组分来改善含铜金属涂层的减摩耐磨性能。一方面，含铜耐磨涂层中的铜组分以及减摩耐磨组分可以有效改善涂层的减摩耐磨性能，另一方面，表面凹坑织构在干摩擦条件下有存储磨屑磨粒的作用，在流体润滑条件下可以改善润滑效果，极大提高工件表面耐磨性能。
附图说明
[0021]图1是本专利技术的整体结构示意图。
[0022]图2是机械挤压获得的棱形织构示意图。
[0023]图3是激光凹坑织构示意图。
具体实施方式
[0024]参见图1，一种增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层2，所述耐磨涂层2位于所述钛合金基体1的表面，所述耐磨涂层2包括底层21和表层22，所述底层为纯铜底层21，所述表层为均布有耐磨微粒的含铜表层22，钛合金基体与所述纯铜底层或含铜表层之间采用机械方式结合，所述含铜表层还均布有凹坑织构，所述织构为采用机械挤压或激光的方式在含铜表层的表面加工获得。
[0025]所述耐磨涂层表面不包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨涂层位于所述钛合金基体表面，所述耐磨涂层包括底层和表层，所述底层为纯铜底层，所述表层为均布有耐磨微粒的含铜表层，钛合金基体与所述纯铜底层或含铜表层之间采用机械方式结合，所述含铜表层还均布有凹坑织构，所述织构为采用机械挤压或激光的方式在含铜表层的表面加工获得。2.如权利要求1所述的增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述耐磨涂层表面不包含所述凹坑织构区域的粗糙度不超过0.8微米。3.如权利要求1所述的增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述凹坑织构的深度超过所述钛合金表面轮廓的最低波谷。4.如权利要求1所述的增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述凹坑织构区域的致密度大于其它无织构区域。5.如权利要求1所述的增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述凹坑织构中填充有硬质耐磨颗粒和减摩组分。6.如权利要求5所述的增材制造钛合金表面的含铜耐磨涂层，其特征在于，所述硬质耐磨颗粒为纳米金刚石，所述减摩组分为石墨烯。7.增材制造钛合金表面的含铜耐磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：田斌，冯青源，杜秋月，王子妍，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：