一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及金属材料技术领域，具体公开了一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，包括球磨原料获取多组钛基复合材料粉末、激光熔化沉积熔覆形成第一复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层、进行表面处理得到第二复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层、测试钛基复合材料下熔覆涂层、分析测试数据获取综合性能指标、综合性能指标排序、优化钛基复合材料粉末组分质量比、优化涂层综合性能指标；采用激光熔化沉积制得复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层，利用测试数据获取涂层的综合性能指标，对制备涂层进行性能分析，优化了生产原料配比。优化了生产原料配比。优化了生产原料配比。

【技术实现步骤摘要】
一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，更具体地说，本专利技术涉及一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]TC4钛合金属于双相合金，钛合金具有耐腐蚀性好、密度低、比强度高、较好的韧性和焊接性等优势，在航空航天、石油化工、船舶、汽车、医药等行业都得到了广泛应用，但是TC4钛合金硬度低、摩擦磨损系数高、对微动磨损和粘着磨损非常敏感，导致了TC4钛合金零部件在服役过程中磨损严重，零部件使用寿命降低，钛合金常用的表面改性手段包括热喷涂、磁控溅射、微弧氧化、电镀等，现如今热喷涂和磁控溅射制得涂层的结合强度很高，但反应过程中仍存在碳化物脱碳产生无定形相现象，使得涂层硬度降低、难以承受冲击载荷与干摩擦，而微弧氧化和电镀的电解液中不溶性纳米颗粒分散性差，导致微弧氧化膜外层不可避免地存在微孔，有些涂层因结合力差容易从涂层内部产生裂纹，激光熔化沉积技术因其能量密度集中、冷却速率快、热影响区小、成分体系灵活等优点而应用前景广阔，该技术是以高能束激光作为能量源，熔化同步输送的粉末原材料，逐层堆叠形成三维实体构件，可以在线实时精准调控能量输入、加热位置、材料体系、界面梯度成分等参量，但是在激光熔化沉积技术中，原位自生反应产物与基体热膨胀系数的差异较大，导致耐磨涂层开裂的发生率增大，涂层的制备没有定量的性能评估参数，无法结合制备涂层性能的测试数据，优化生产原料的配比。为了解决上述问题，现提供一种技术方案。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术提供一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，采用激光熔化沉积制得复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层，利用测试数据获取涂层的综合性能指标，对制备涂层进行性能分析，优化了生产原料配比。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，制备的复合陶瓷颗粒强钛合金耐磨涂层包括钛合金基板和耐磨涂层，复合陶瓷颗粒强钛合金耐磨涂层的钛基复合材料由复合陶瓷颗粒粉末和TC4粉末以若干种质量分数比制成，复合陶瓷颗粒粉末由WC粉末和TiC粉末组成，制备方法包括如下步骤：步骤一，将若干种不同质量分数比复合陶瓷颗粒粉末和TC4粉末钛组成的钛基复合材料粉末加入分散剂后放入陶瓷球磨罐进行球磨，获取多组钛基复合材料粉末；步骤二，将多组钛基复合材料粉末均通过激光熔化沉积熔覆在钛合金基板上，形成多组第一复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层；步骤三，将步骤二中的多组第一复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层进行表面处理，去除表面氧化皮及缺陷，得到多组第二复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层；步骤四，测试不同钛基复合材料下的熔覆涂层以及TC4基板的表面显微硬度，获取表面显微硬度测试数据，以涂层截面的中位面为基准截面，获取多组涂层截面距离基准截
面0mm以及0.5mm的显微硬度测试数据，磨损测试不同钛基复合材料下的熔覆涂层，获取涂层的摩擦磨损系数测试数据；步骤五，分析不同钛基复合材料熔覆涂层的表面显微硬度、距基准截面0mm显微硬度、距基准截面0.5mm显微硬度及摩擦磨损系数，获取不同钛基复合材料熔覆涂层的综合性能指标；步骤六，对不同钛基复合材料熔覆涂层综合性能指标进行排序，选择综合性能指标数值排名第一以及第二的钛基复合材料熔覆涂层，获取这两组钛基复合材料熔覆涂层的WC粉末和TC4粉末钛质量分数比，利用线性插值法再次获取若干种不同质量分数比WC粉末和TC4粉末钛，组成钛基复合材料粉末；步骤七，重复步骤一至步骤六，直至获得涂层的综合性能指标在设定阈值区间内。
[0005]本专利技术通过激光熔化沉积技术将高功率密度激光束辐照到基材表面，使基材与熔覆层材料迅速熔化凝固，获得与基材完全冶金结合的涂层，相较于现有技术，通过激光熔化沉积技术形成的碳化物结构稳定，能够承受高强冲击载荷，涂层结合力强。
[0006]作为本专利技术进一步的方案，步骤一中的钛基复合材料粉末中TiC粉末的质量分数为5wt%，WC粉末的质量分数为5wt%～30wt%，TC4粉末的质量分数为65wt%～90wt%，且满足WC粉末的质量分数与TC4粉末的质量分数总和为95wt%。
[0007]作为本专利技术进一步的方案，TC4粉末的纯度为99.9%，粒度为53～150um；WC粉末的纯度为99.9%，粒度为45～105um；TiC粉末的纯度为99.9%，粒度为15～53um。
[0008]作为本专利技术进一步的方案，在步骤一中，分散剂为纯度≥99.7%的无水乙醇，每100g的粉体中加入100g的分散剂。
[0009]优选的TiC粉末在液态熔池中会结合大部分Ti元素，增强WC粉末熔化、溶解的速率，而TiC粉末在液态熔池产生的C元素会重新生成TiC，为W元素的固溶提供了空间；优选的WC粉末和TC4粉末粒度相同能让激光熔化沉积中粉末流动性更好，在TC4基板上更容易形成大量的液态熔池，TiC粉末粒度小一方面是提高更细小均匀的TiC空间，一方面促进WC粉末熔化、溶解速率；优选的无水乙醇在球磨罐中无水乙醇界面超过粉末，会渗透进粉末界面超过粉末，在真空高温干燥机箱干燥过程中直接挥发且不会对混合粉体有影响。
[0010]作为本专利技术进一步的方案，在步骤一中，陶瓷球磨罐进行球磨使用的陶瓷磨球为球形95%氧化锆磨球（93%ZrO2/5%Y2O3/2%其他），陶瓷球磨机具体工艺及参数为：球料质量比为1:2，转速为400rpm，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干4h制得混合粉体。
[0011]优选的陶瓷磨球在球磨过程中不会对粉末进行污染，球形陶瓷磨球在真空高温干燥机箱干燥后便于直接取出，球形陶瓷磨球直径没有特殊的限制，能够根据实际要求选择不同直径，球形陶瓷磨球直径越小，球磨后粉末更细小均匀，该优选的球料质量比，在球磨过程中能更好的对粉末进行碰撞研磨，该优选的转速能够使球料充分接触、球磨均匀，该优选的真空高温干燥机箱参数能够使粉末脱氧、干燥便于进行后续激光熔化沉积操作，减少复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的工艺气孔。
[0012]作为本专利技术进一步的方案，在步骤二中，激光熔覆沉积的工艺参数为：激光功率为2000W，扫描速率为8mm/s，送粉速率为4.5g/min，离焦量为
‑
1mm，搭接率为50%，载气流量3.3L/min，保护气压强0.03MPa，激光扫描方式为蛇形往复扫描，光斑直径为4mm，氧气含量
控制在50ppm以下。
[0013]作为本专利技术进一步的方案，离焦量为加工表面与激光束焦点之间距离，负离焦量为激光束焦点在加工表面之下；熔覆涂层是指通过熔化覆盖在基体材料表面并与之形成冶金结合的表面涂层。本方案能够使粉末完全熔化形成液态熔池，更好地形成陶瓷相，选取的负离焦量能够更好地增强耐磨涂层与TC4基板之间的结合力，蛇形往复扫描保证了成形质量。
[0014]作为本专利技术进一步的方案，在步骤五中，综合性能指标为涂层表面显微硬度与TC4基板表面显微硬度的差值，加上距截面0mm显微硬度均值与距截面0mm显本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述方法制备的复合陶瓷颗粒强钛合金耐磨涂层包括钛合金基板和耐磨涂层，复合陶瓷颗粒强钛合金耐磨涂层的钛基复合材料由复合陶瓷颗粒粉末和TC4粉末制成，复合陶瓷颗粒粉末由WC粉末和TiC粉末组成，制备方法包括如下步骤：步骤一，将若干种不同质量分数比复合陶瓷颗粒粉末和TC4粉末钛组成的钛基复合材料粉末加入分散剂后放入陶瓷球磨罐进行球磨，获取多组钛基复合材料粉末；步骤二，将多组钛基复合材料粉末均通过激光熔化沉积熔覆在钛合金基板上，形成多组第一复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层；步骤三，将多组第一复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层进行表面处理，去除表面氧化皮及缺陷，得到多组第二复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层；步骤四，测试不同钛基复合材料下的熔覆涂层以及TC4基板的表面显微硬度，获取表面显微硬度测试数据，以涂层截面的中位面为基准截面，获取多组涂层截面距离基准截面0mm以及0.5mm的显微硬度测试数据，磨损测试不同钛基复合材料下的熔覆涂层，获取涂层的摩擦磨损系数测试数据；步骤五，分析不同钛基复合材料熔覆涂层的表面显微硬度、距基准截面0mm显微硬度、距基准截面0.5mm显微硬度及摩擦磨损系数，获取不同钛基复合材料熔覆涂层的综合性能指标；步骤六，对不同钛基复合材料熔覆涂层综合性能指标进行排序，选择综合性能指标数值排名第一以及第二的钛基复合材料熔覆涂层，获取这两组钛基复合材料熔覆涂层的WC粉末和TC4粉末钛质量分数比，利用线性插值法再次获取若干种不同质量分数比WC粉末和TC4粉末钛，组成钛基复合材料粉末；步骤七，重复步骤一至步骤六，直至获得涂层的综合性能指标在设定阈值区间内。2.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中的钛基复合材料粉末中TiC粉末的质量分数为5wt%，WC粉末的质量分数为5wt%～30wt%，TC4粉末的质量分数为65wt%～90wt%，且满足WC粉末的质量分数与TC4粉末的质量分数总和为95wt%。3.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，TC4粉末的纯度为99.9%，粒度为53～150um；WC粉末的纯度为99.9%，粒度为45～105um；TiC粉末的纯度为99.9%，粒度为15～53um。4.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，在步骤一中，分散剂为纯度≥99.7%的无水乙醇，每100g的粉体中加入100g的分散剂。5.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，在步骤一中，陶瓷球磨罐进行球磨使用的陶瓷磨球为球形95%氧化锆磨球，陶瓷球磨机具体工艺及参数为：球料质量比为1:2，转速为400rpm，球磨12h后经过真空高温干燥机箱在120℃下烘干4h制得混合粉体。6.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，在步骤二中，激光熔覆沉积的工艺参数为：激光功率为2000W，扫描速率为8mm/s，送粉速率为4.5g/min，离焦量为
‑
1mm，搭接率为50%，载气流量3.3L/min，保护气压强0.03MPa，激光扫描方式为蛇形往复扫描，光斑直径为4mm，氧气含量控制在50ppm以下。
7.根据权利要求6所述的一种复合陶瓷颗粒增强钛合金耐磨涂层的制备方法，其特征在于，离焦量为加工表面与激光束焦点之间距离，负离焦量为激光束焦点在加工表面之下。8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延臣，赵天明，盖云杰，于福伟，杨雷，邵伟峰，
申请(专利权)人：烟台核电智能技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：