一种制备陶瓷－金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及焊丝制备方法技术

一种制备陶瓷－金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及方法，属于表面工程技术领域。粉芯焊丝内的复合粉末材料由Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｂＣ粉末组成，其含量为：Ｃ粉：１０－１３ｗｔ．％，Ｃｒ粉：０－３ｗｔ．％，ＮｂＣ粉：１－２ｗｔ．％，其余为Ｔｉ粉；利用铝箔包裹上述复合粉末形成粉芯焊丝。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为９０－９１ｗｔ．％，且利用氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在钛及钛合金表面。制备工艺为：利用铝箔将Ｃ粉：１０－１３ｗｔ．％，Ｃｒ粉：０－３ｗｔ．％，ＮｂＣ粉：１－２ｗｔ．％，其余为Ｔｉ粉包裹。优点在于，将Ｔｉ－Ａｌ系金属间化合物与ＴｉＣ的优点结合起来，所制备的熔覆层表面较光滑，熔覆层厚度偏差小于熔覆层平均厚度的±１５％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于表面工程
，特别涉及一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉 芯焊丝及方法，利用交流钨极氩弧热源在钛及钛合金基体表面上反应合成TiC-Ti3Al 金属间化合物复合材料熔覆层的粉芯焊丝及熔覆层制备工艺。
技术介绍
钛及钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点，不仅在 航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经在化工、石油、轻工、冶金、 发电等许多工业部门中广泛应用。但钛及钛合金具有摩擦系数大、耐磨性差、抗穿甲 能力不高等缺点，限制了其应用范围。为了提高钛及钛合金的表面性能，可在其表面 制备一定厚度的涂覆层，如陶瓷颗粒增强的金属基复合材料或金属间化合物涂覆层。TiC陶瓷颗粒增强的金属基复合材料(以下简称陶瓷-金属复合材料)具有密度低、 比强度和比刚度高、耐磨性好、良好的导热性、良好的导电性等优点，在航空航天、 汽车制造等领域中有着广阔的应用前景。在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料 熔覆层，就可将基体材料的强韧性与陶瓷增强熔覆层的耐磨、耐蚀和优良的抗冲击载 荷性能有机结合起来，使钛及钛合金为基体的零部件整体结构在满足工作环境下的强 韧性要求的同时，还具有高的耐磨、抗冲击载荷性能。例如，对于以钛合金为基体的 飞行器外壳防护结构，如果在钛合金基体上制备陶瓷-金属复合材料覆层，就能在防 护结构体密度不变的前提下，显著提高防护结构在高速或超高速撞击下的抗贯穿能 力。激光熔覆是现有在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料熔覆层的主要技术， 该技术可采用直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法或在激光熔覆过程中反应自生陶 瓷相的方法。直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法存在界面浸润性差、陶瓷分散性差、 偏聚、热稳定性差等缺点。反应自生陶瓷相的方法的优点在于(1)增强体是从金属 基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此增强体表面无污染,避免了与基体相容性 不良的问题,且界面结合强度高。(2)工艺较简单、成本较低。对于直接添加陶瓷颗粒作为增强相的激光熔覆方法(如申请号为200610113081. 1 的专利技术专利申请)，其特征在于，在保护气氛的环境下，通过送粉器将钛合金粉与陶 瓷颗粒送入激光束作用区域，陶瓷颗粒所占体积分数为3.4-30%，所形成熔覆层为钛 基陶瓷颗粒增强复合材料。而对于激光熔覆过程中反应自生陶瓷相的方法，其特征在于，将NiCrBSi粉(Ni 质量分数为63-75%， Cr质量分数为14-16%)和B4C粉末按比例混合，复合粉末中B4C 粉末所占质量分数为2-10%，然后将粉末与配好的有机粘合剂混成膏剂，再将膏剂刷 涂在钛合金表面，最后利用激光束熔覆膏剂形成陶瓷颗粒增强熔覆层。熔覆层最大厚 度为0. 9mm。3综上所述，现有在钛及钛合金表面制备陶瓷-金属复合材料覆层的激光熔覆技术 包括直接添加陶瓷颗粒作为增强相的方法和反应自生陶瓷相法两种，并采用送粉法和 预敷法进行熔覆，熔覆层中的粘结相有Ti、 Ni、 Cr等元素，所制备熔覆层中陶瓷相 所占体积分数一般《35%。金属间化合物由于其金属键和共价键共存的特性，具有高的比强度、较高硬度等 优良特性。在金属间化合物的大家族中，Ti-Al系金属间化合物(Ti3Al、 TiAl)由于 具有比重轻、比强度高、耐磨性好和抗氧化性优异等特点，是一种有待于开发的航空 航天、高温结构材料和涂覆层材料。而由TiC与Ti-Al系金属间化合物组成的 TiC/Ti-Al系复合材料，具有比Ti-Al系金属间化合物更高的耐磨性、高温抗压强度 和比强度。与TiC/Ni等陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔覆层相比，TiC/Ti-Al系复合材料熔 覆层的优点在于在熔覆层中陶瓷相体积分数相同的条件下，TiC/Ti-Al系复合材料 熔覆层具有更轻的比重、更高的比强度、更高的硬度和耐磨性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种制备陶瓷-金属间化合物熔覆层的粉芯焊丝及方 法，是将Ti-Al系金属间化合物与TiC的优点结合起来，开发一种利用交流钨极氩弧 热源在钛及钛合金基体表面上反应合成TiC-Ti3Al复合材料熔覆层的粉芯焊丝及熔覆 层制备工艺。本专利技术的粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、 Ti、 Cr、 NbC粉末组成，其含量为C 粉10-13wt.%， Cr粉0-3 wt.%,NbC粉l-2wt。/。,其余为Ti粉；利用铝箔包裹上述复 合粉末形成粉芯焊丝。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90-91wt,/。，且利用 氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在钛及钛合金表面。本专利技术粉芯焊丝制备工艺为1、 粉芯焊丝成分粉芯焊丝内的复合粉末材料由C、 Ti、 Cr、 NbC等粉末组成，所选用的粉末中C 粉(200-350目、纯度》99%): 10-13wt.%，Cr粉(100-300目、纯度》99%): 0-3 wt. %, NbC 粉(200-350目、纯度》99%): l-2wt.%，其余为Ti粉(100-200目、纯度》99%)。粉 末中添加少量NbC、 Cr的目的是改善反应生成的TiC陶瓷相与Ti-Al系金属间化合物 的润湿性，提高熔覆层的强韧性。利用铝箔包裹上述复合粉末，所用铝箔纯度》98.5%、厚度在30-80um范围、宽 度在50-60咖范围、长度》200mm。复合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为 90_91wt.%。铝箔的作用是(1)与Ti、 C反应生成T"A1、 Ti3AlC等金属间化合物;(2) 使粉芯焊丝内的复合粉末在被交流氩弧加热过程中被约束在铝箔内部，直至粉末发生 化学反应并处于熔融状态后形成熔滴，熔滴在重力作用下落于基体表面，从而达到防 止粉末在熔覆过程中飞溅的目的。2、 复合粉末混料工艺按1中所述的各种粉末材料比例配制所需复合粉末，然后将复合粉末在普通空气 干燥箱中干燥，干燥温度为80-ll(TC，干燥时间为3-5小时；将干燥后的复合粉末放入行星式球磨机中进行混料，混料时间为5-6小时。3、 粉芯焊丝的包裹工艺完成步骤2后，再利用铝箔包裹复合粉末形成粉芯焊丝。复合粉芯焊丝的包料工艺可选择手工和机械自动包料两种方法。对于手工包料法，须先将铝箔巻成圆筒状，圆筒直径为8-15mra，再将所需比例的粉末灌入圆筒中，将圆 筒两端压扁封闭后即可使用。当釆用机械自动包料机包料时，其原理与普通粉芯焊丝 包料机(如电弧喷涂丝的包料)原理相同。粉芯焊丝的单位长度的重量为0.8-2g/cm。 对于手工送丝熔覆方法，粉芯焊丝长度为200-400mm为宜；对于自动送丝熔覆方 法，粉芯焊丝长度不受限制。4、 熔覆原理说明本专利技术用于在厚度为6-50mra的纯钛或钛合金基体上(如平板表面、圆管外表面 等)制备厚度为2-3mm的TiC-Ti3Al复合材料熔覆层。粉芯焊丝熔覆的原理如下粉 芯焊丝头部与交流钨极氩弧焊枪保持基本同步移动，使粉芯焊丝头部约4-6mm长度的 区域处于交流氩弧加热范围，被交流氩弧加热的钛及钛合金基体表面达到其熔点以上 温度，当粉芯焊丝头部约4-6mm长度内的温度达到IOO(TC以上时，Ti与C发生强放 热反应原位生成TiC颗粒，同时使该段内的Al与Ti等粉末发生化学反应。上述TiC、 Ti-Al、 Ti-A1-C反应物形成熔滴，在重力作用下沉积于熔融的钛及钛合金基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在钛及钛合金表面制备陶瓷－金属间化合物复合材料熔覆层的粉芯焊丝，其特征在于，粉芯焊丝内的复合粉末材料由Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｂＣ粉末组成，其含量为：Ｃ粉：１０－１３ｗｔ．％，Ｃｒ粉：０－３ｗｔ．％，ＮｂＣ粉：１－２ｗｔ．％，其余为Ｔｉ粉；利用铝箔包裹上述复合粉末形成粉芯焊丝。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗德，胡卫强，戴兰宏，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]