本发明专利技术公开了一种大面积ＴｉＢ－ＴｉＣ增强钛基复合涂层，按重量百分比计，其组分和含量如下：Ｔｉ ８３－８８％，Ｂ４Ｃ ５－７％，Ａｌ ２－４％，纳米ＴｉＣ １－３％，稀土氧化物 ３－５％。本发明专利技术采用一种新的方法来制备预涂覆层，该方法制备的预涂覆层表面平整、厚度可控、所用粘结剂较少、工艺相对简单；另外还对熔覆材料体系配比进行了优化选择，使之熔覆后涂层的增强相为ＴｉＢ和ＴｉＣ，基体为钛合金，而基底材料Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ也为钛合金，这样涂层和基底具有很好的物理相容性。本发明专利技术还通过添加少量的稀释剂纳米ＴｉＣ来显著降低生成ＴｉＢ和ＴｉＣ反应的剧烈程度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种钛基复合涂层，具体为一种大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，以及这种复合涂层的制备方法。
技术介绍
钛合金Ti6A+4V具有密度小、比强度高、耐蚀性优异、耐热性好等优点，在航天航空、汽车、船舶和化工设备制造等领域获得广泛应用。但是钛合金存在硬度低、耐磨性能差的缺点，这就直接影响到发动机的工作性能和使用寿命。因此对用于发动机上摩擦构件(如内衬套、活塞杆等)的钛合金进行适当的表面处理就显得尤为重要。传统的钛合金表面改性技术主要有：表面渗碳、热喷涂、离子注入、等离子氮化、微弧氧化、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、燃烧合成法等。但这些方法制备的涂层薄或涂层与基体的结合力弱，难以满足在高接触应力条件下工作部件的使用要求。激光熔覆原位合成技术是近年来新兴的表面强化技术，通过激光束作用于置于基底表面的合金粉末，使反应物间相互作用得到所期望的增强相，冷却凝固后就得到复合涂层，该层不仅与基体之间实现了冶金结合，而且厚度可在几十微米到几毫米之间变化，可有效解决上述传统表面改性技术的不足，是提高零件表面耐磨性能的有效手段。但是目前这方面研究存在以下问题：①所用粘结材料多为Ni基自熔合金。该合金中的多种元素彼此之间可形成硬质相，并且能和很多陶瓷颗粒发生相互作用，导致陶瓷相的溶解和重新析出，从而使陶瓷相的形态、种类以及分布发生很大变化。这些都导致试验重复性较差，容易出现一些质量问题；该合金和钛合金基体物理参数(如膨胀系数、杨氏模量、热导率等)差别较大，使得熔覆层快速凝固收缩时会受到基体的阻碍，从而导致热应力的产生，最终使表层开裂(宏观裂纹或微观裂纹)。②预涂敷层的制备通常用刷涂法。具体过程为粉体加入一定量的粘结剂，经充分搅拌混合制成膏状物，用毛刷均匀涂覆于基体表面。这种方法存在如工问题：涂层的粘结剂在熔覆过程中受热分解，会产生一定数量的气体，在熔覆层的快速凝固过程中，容易滞留在涂层的内部形成气孔；粘结剂大多是有机物，受热分解气体容易污染基体表面，影响基体和涂层熔合。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层及其制备方法，以解决现有技术的上述问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现。大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，按重量百分比计，其组分和含量如下：反应物Ti 83-88％反应物B4C 5-7％-->Al 2-4％纳米TiC 1-3％稀土氧化物 3-5％。所述的稀土氧化物为Y2O3、La2O3或Nd2O3。上述大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层及其制备方法，具体工艺步骤如下：1)将Ti、B4C、纳米TiC和稀土氧化物粉末混合物按上述组分和含量进行配料，通过球磨机均匀混合；2)在Ti6Al4V基底上表面刷涂一层增加预涂覆层与基底间结合强度的粘结剂；3)将步骤1)的混合粉末均匀置于涂有粘结剂的Ti6Al4V表面，然后通过5MPa的压力使混合粉末致密化和表面平整化，得到厚度约0.5-1.0mm的预涂覆层；4)将步骤3)的预涂覆层用功率为2000-3500W，光斑直径为4-6mm的光源以3-8mm/s的扫描速度，40％的搭接率进行激光扫描，即得到大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层。所述粘结剂由聚乙烯醇和去离子水组成，在80-95℃温度区间将15-30克聚乙烯醇置于300-600毫升去离子水中，不断搅拌使其完全溶解得到。本专利的创新之处在于：一、利用Ti粉末作为粘结材料和反应材料。由于钛粉末和钛合金基体有较好的相容性，即相似的晶体结构，相近的晶格常数以及相近的热膨胀系数等，从而可降低裂纹形成趋势。二、添加稀土氧化物抑制晶粒长大。稀土元素作为制备钛基复合材料的添加元素得到越来越多的关注。这是因为稀土元素可减少残渣与熔体的表面张力.促进熔体对流，使残渣迅速上浮到熔池表面，隔绝与大气的接触，防止氧化；还有利于提高结晶形核率，细化晶粒，提高熔覆层的强韧性。三、添加纳米TiC来降低生成TiB和TiC反应所释放的热量。熔覆层中的增强相TiB和TiC是添加的钛粉和B4C通过自蔓延反应来生成的，该反应放出相当多的热量，该热量足以使激光辐照区外的钛粉和B4C继续发生反应，并生成TiB和TiC。这使得激光熔覆大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层较为困难。本专利通过添加纳米TiC来降低反应放出的热量，使得大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层的制备成为可能，且并未改变涂层中增强相的类别。五、通过一种新的方法来制备预涂覆层。这种方法避免了传统方法存在的预涂覆层厚度难以控制，表面平整度低，涂层中粘结剂较多导致涂层组织和性能变差等不足。六、该技术将陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性和钛合金的高延性、高强度有机地结合在一起，可以显著提高钛合金表面的耐磨性，可应用于航空航天器、舰海舰船上的钛合金零件，以及耐酸泵、耐酸阀钛合金部件的表面改性。附图说明图1为实施例1中所制备涂层的横截面形貌的OM照片；图2A为实施例1中所制备涂层横截面组织的OM照片；-->图2B为未添加稀土氧化物Y2O3所制备涂层横截面组织的OM照片；图3为实施例1中所制备涂层的XRD图谱；图4为实施例1中所制备涂层及未添加稀土氧化物Y2O3所制备涂层横截面显微硬度分布图；图5A为实施例2中所制备涂层组织的SEM照片；图5B为实施例2中所制备涂层组织的SEM照片；图6A为实施例2中所制备涂层横截面压痕的OM照片；图6B为未添加稀土氧化物La2O3所制备涂层横截面压痕的OM照片；图7A为实施例3中所制备涂层组织的SEM照片；图7B为实施例3中所制备涂层组织的SEM照片；图8A为实施例3中所制备涂层横截面压痕的OM照片；图8B为未添加稀土氧化物Nd2O3所制备涂层横截面压痕的OM照片。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步阐述本专利技术的技术特点。实施例1一种大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，制备该涂层所需组分的成分(重量％)为83％ Ti，7％ B4C，4％ Al，3％ 纳米TiC，3％ Y2O3。上述大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层的制备工艺包括下列步骤：(1)将Ti，B4C，纳米TiC和稀土氧化物粉末Y2O3先驱体通过球磨机均匀混合；(2)在Ti6Al4V基底上表面刷涂一层增加预涂覆层与基底间结合强度的粘结剂；(3)将一定量的混合粉末均匀置于涂有粘结剂的Ti6Al4V表面，然后通过5MPa的压力使混合粉末致密化和表面平整化，得到厚度约0.8mm的预涂覆层。(4)对上述预组装涂层用功率为3500W，光斑直径为5mm的光源，以5mm/的扫描速度，40％的搭接率进行激光扫描，即得到大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层。采用VHX-600K光学显微镜对该条件下制备的涂层横截面形貌及组织进行观察。如图1A所示，涂层厚度较为均匀，且表面较平整。如图2A所示，涂层组织非常均匀且较为细小。图2B为未添加稀土氧化物Y2O3条件下得到涂层组织的光学照片，可见和添加稀土氧化物Y2O3的涂层组织相比(图2A)，组织较为粗大，且均匀性降低。采用Rigaku D/max-2000型X射线衍射仪对该条件下制备涂层的物相组成进行分析。如图3所示，涂层主要由作为基体的α-Ti和作为增强相的Ti本文档来自技高网...
【技术保护点】
大面积ＴｉＢ－ＴｉＣ增强钛基复合涂层，其特征在于：按重量百分比计，其组分和含量如下：反应物Ｔｉ ８３－８８％反应物Ｂ↓［４］Ｃ ５－７％Ａｌ ２－４％纳米ＴｉＣ １－３％稀土氧化物 ３－５％。
【技术特征摘要】
CN 2010-5-2 201010169237.41.大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，其特征在于：按重量百分比计，其组分和含量如下：反应物Ti 83-88％反应物B4C 5-7％Al 2-4％纳米TiC 1-3％稀土氧化物 3-5％。2.根据权利要求1所述的大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，其特征在于所述的稀土氧化物为Y2O3、La2O3或Nd2O3。3.一种制备权利要求1所述的大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层的方法，其特征在于：具体工艺步骤如下：1)将Ti、B4C、纳米TiC和稀土氧化物粉末混合物按权利要求1组分和含量进行配料，并通...
【专利技术属性】
技术研发人员：李军，曾习斐，顾盛龙，林清碧，胡寅冬，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：31
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