CN101928939B - 一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属基体表面的Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层，采用基于机械激活与激光熔覆复合工艺，在金属基体，如钛合金或铝合金等表面获得Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层，可修复钛合金表面裂纹，用于制备和修复航空发动机叶片。

Description

一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种表面纳米涂层，具体地说，是一种金属基体表面的Fe_nW_nC-Co(Y)/Ti合金纳米涂层，采用基于机械激活与激光熔覆复合工艺，可用于钛合金或铝合金表面。

背景技术

飞机的关键零部件，如发动机叶片等，在服役过程中发生疲劳、磨损等破坏，严重影响飞机的使用性能。而飞机的零部件发生局部损伤或失效后，主体部分还具有很大的承载能力。在航空工业中，无论是民用飞机还是军用飞机，关键零部件的修复和再制造都是延长飞机服役寿命、节能降耗的关键问题。目前国内外对于飞机损伤的关键零部件的修复和再制造主要采用激光熔覆技术和激光冲击强化技术。激光熔覆不仅能够对超过极限尺寸的或者有较大裂纹的关键零部件进行修复、恢复尺寸，也能够通过熔覆合金体系设计恢复疲劳强度、甚至提高疲劳强度。

在各种熔覆合金中，W-C-M(M表示Co、Fe、Ni)合金体系由于具有良好的高温强度、耐磨性以及较低的热膨胀系数，越来越受到关注。但在表面熔覆等非平衡条件下，WC不稳定，极易发生WC→W_nC→W_mM_kC的转变，该非平衡条件下的转变，会形成大量的非平衡中间相。随着飞机零部件的服役，这种不稳定的中间相将继续在内部应力和外部热、力的综合作用下进一步发生转变，而这种变化将带来合金表面涂层、特别是界面区域热胀系数、物理化学性质的差异的增大而产生新的应力及表面裂纹，从而导致其断裂和失效。在非平衡条件下生成的中间产物，如熔覆过程中，涂层与基体界面形成的η相是在WC基体上，由于缺碳以及过渡元素向基体扩散而形成的，是在非平衡条件下被动形成的脆硬缺碳(低碳)相，该相不仅形成于涂层制备过程中，也可能析出于高温热处理或高温运行过程，块状η相会降低焊接接头的弯曲强度、冲击韧性和抗晶间腐蚀能力。

现有的研究证实在WC-M体系中，成分η相的形成有很大的影响，通过加入过量C的方式一定程度上可以抑制η相的形成。通过增加粘结相中同C没有亲和力的元素与同C有亲和力的元素比例或提高C含量一定程度上能够抑制η相中间产物并有效控制合成进程。除了C元素，也发现稀土的加入也有助于抑制η相的形成，在较高的温度下，η相发生的特定温度区间以及成分比例，提高溶解温度能减少η相的形成；纳米尺度的熔覆合金能够提高成形和界面结合性能，但也有促进中间η相形成的趋势，研究表明：改变成分仅能抑制η相中间产物，但是很难获得单一的稳定相，温度是另一个重要的因素。根据W₂C/η相体系的演变思路，除了成分、尺度和温度外，改变界面η相形态也能改善材料的性能，研究表明控制η相在高能晶粒边界界面呈胞状析出、形核，能显著提高材料的高温韧性。

目前的研究中，已经提出了平衡条件下通过调节C、稀土、Cr₃C₂、贫C/贫Co、M/C等成分手段控制界面η相的形成及形态；或者通过控制合成温度抑制η相等中间相的形成，实验证明是有效的，基于此背景，本专利提出了通过成分设计(调节C、稀土及平衡态的Fe_nW_nC)、尺度控制(纳米晶)以及温度控制(激光诱导)等多种手段实现高质量的钛合金表面纳米涂层，从而获得优异的飞机关键零部件表面涂层，提升飞机关键零部件的抗疲劳再制造水平。

经对现有技术的文献检索发现，Vreeling J A等在杂志ActaMaterialia，2002，50：4913～4924发表的论文“Ti-6Al-4Vstrengthened by laser melt injection of WC_p particles”中，提出利用激光处理的方法实现钛合金表面的修复，在熔覆金属与钛合金的熔合界面，虽然通过WC与Ti的冶金反应生成W和TiC而促进了界面的熔合，但也生成了中间物W₂C，这些非平衡产物在钛合金服役过程中容易产生表面裂纹，引起表面抗疲劳能力下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，开发了一种Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层。

本发明还提供了上述合金纳米涂层的制备方法。

本发明还提供了上述合金纳米涂层的应用。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层，n＝3或6，制备该涂层所用的熔覆合金由Fe_nW_nC、Co、Y₂O₃组成，各组分重量百分比为18～24％、70～76％和6％。

制备这种Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，包括如下步骤：

(1)采用机械合金化工艺，将Fe_nW_nC合金粉末与Co粉末、Y₂O₃粉末低速机械混合，得到Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末；混合物中各组分的重量百分比分别为18～24％、70～76％和5～7％；

低速机械混合的工艺优选为：用球磨将Fe_nW_nC合金粉末与Co粉末、Y₂O₃粉末原料混合2～5hr，球磨直径5～10mm，转速30～50rps，原料与球磨的重量比为20～50∶1；磨球材料可选用碳化钨合金(WC)；

更优选的，Fe_nW_nC合金粉末、Co粉末和Y₂O₃粉末颗粒的粒径为500nm～1μm；

(2)以步骤(1)得到的Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺，在金属基体表面获得Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层；金属基体为钛合金或铝合金；

所述的激光熔覆工艺为：激光熔覆功率为3～5KW，扫描速度3～10mm.s^-1，激光光斑直径20～50mm，离焦量0～6mm；

保护气体为氮气、氦气或氖气，保护气体流速为0.3～1.5L·min^-1，激光器内压和保护气压分别为550～600KPa和320～380kPa；

更优选的，宽带熔覆送粉器的转速为10～16r·min^-1；工作平台包括CNC工控台及七轴机器人。

步骤(1)中所述的Fe_nW_nC合金粉末是一种平衡态的高弹性模量、高强度的复合碳化物材料，避免了非平衡中间相的形成。通过机械合金化工艺制备，其方法为：用球磨将铁粉、钨粉和石墨态碳粉在氮气、氦气或氩气保护下混合4～30hr，球磨直径5～10mm，转速300～400rps，原料与球磨的重量比(装料比)为20～50∶1；磨球材料可选用钨化钨(WC)；铁粉、钨粉和石墨态碳粉的摩尔比为2∶1∶1.2～1.5，颗粒粒径为500nm～1μm。

本发明的Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层可用于钛合金或铝合金等表面处理，可修复钛合金表面裂纹，用于制备和修复航空发动机叶片。

本发明解决了目前飞机关键零部件表面修复或再制造过程中，由于现有的熔覆合金的强化相通常是以不稳定的WC为主，在非平衡状态的制备条件下，以及激光熔覆界面的非平衡热加工行为中，容易引起的表面裂纹甚至失效的问题。

本发明通过采用机械合金化与激光熔覆的复合工艺，通过稳定的高弹性模量、高强度的复合碳化物材料Fe_nW_nC和粘结相Co的引入，根据机械合金化以及激光熔覆的复合工艺，熔覆层组织主要包括平衡态的Fe₃W₃C、部分Fe₆W₆C和微量C，无中间相W₂C，熔覆层达到纳米尺度，在熔覆层与钛合金界面区域组织的长大也不明显，所述工艺不仅适用于在合格尺寸范围和微小裂纹损伤的飞机关键零部件的修复，而且适合于表面较大范围损伤后的修复及尺寸恢复，以及超过极限尺寸和较大裂纹的关键零部件的尺寸恢复及修复，且不需要预热和后热，大大提高飞机关键零部件表面抗疲劳的水平。

附图说明

图1为机械激活后Fe_nW_nC合金XRD主要相组成

图2为激光熔覆层Fe₃W₃C(Fe₆W₆C)-Co基组织的透射电镜图(TEM)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明：

实施例1

选择厚度为4mm的航空工业用Ti-6Al-4V钛合金作为基体材料，在此基体上制备Fe_nW_nC-Co(Y)/Ti合金纳米涂层，制备步骤如下：

第一步，制备平衡态的熔覆合金，得到Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末

(1)首先将Fe、W、石墨态的C粉末混合后通过机械合金化的方法来机械激活，Fe、W、C的重量百分比为37.23％、60％、2.77％(三者摩尔比约为2∶1∶1.4)，其粉末FSSS粒度为700nm；机械激活工艺为，球磨转速：400rps；球磨时间：20hr；磨球材料：WC；装料比：20∶1；磨球直径：5mm；利用氮气保护；得到Fe_nW_nC，n＝3或6；

经检测，熔覆合金经过机械激活后，主要包括平衡态的Fe₃W₃C、部分Fe₆W₆C和微量C；机械激活后的合金XRD相分析结果如附图1所示，从结果可知，在机械激活1hr后，相没有发生变化，主要为W、Fe和C；当机械激活20hr后，合金发生完全转变，主要包含Fe₃W₃C和Fe₆W₆C。

(2)其次，将合成的Fe_nW_nC与Co粉末、Y₂O₃粉末混合，重量百分比为20％、74％和6％；其粉末FSSS粒度为700nm；在低速下机械混合，获得Fe_nW_nC-Co(Y)合金；低速混合工艺为，球磨转速：30rps；球磨时间：5hr；磨球材料：WC；装料比：50∶1；磨球直径：10mm。

第二步，钛合金表面纳米涂层制备，制备过程为：

以Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺，在钛合金表面获得Fe_nW_nC-Co(Y)/Ti合金纳米复合涂层。

激光熔覆工艺：六轴机器人带动CO₂激光器提供激光热源，将Ti-6Al-4V钛合金置于CNC工控台上，激光熔覆功率：5kW；扫描速度：8mm·s^-1；激光束形状：宽带激光(光斑直径：25mm)；离焦量：4mm；保护气体为纯He气；激光器内压和保护气压分别为588kPa和352kPa；气体流量1.4L·min^-1。

熔覆合金通过宽带熔覆送粉器自动送粉，带熔覆送粉器的转速为12r·min^-1。

经过低速混合后，相没有发生本质变化，以Co为基体，Fe₃W₃C、Fe₆W₆C为主要强化相以及少量Y₂O₃；在钛合金表面激光熔覆后，熔覆层为Fe₃W₃C(Fe₆W₆C)-Co基组织，界面组织有长大的趋势，检测到少量TiC，没有发现中间相W₂C。熔覆层透射电镜分析如附图2所示，从图中可以看出，其主要结构是Co基以及强化相Fe₃W₃C(Fe₆W₆C)。

Claims (8)

1.一种制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，n＝3或6，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将Fe_nW_nC合金粉末与Co粉末、Y₂O₃粉末低速机械混合，得到Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末；混合物中各组分的重量百分比分别为18～24％、70～76％和5～7％；

所述Fe_nW_nC合金粉末通过机械合金化工艺制备，其方法为：用球磨将铁粉、钨粉和石墨态碳粉在氮气、氦气或氩气保护下混合4～30hr，球磨直径5～10mm，转速300～400rps，原料与球磨的重量比为20～50∶1；铁粉、钨粉和石墨态碳粉的摩尔比为2∶1∶1.2～1.5；所述铁粉、钨粉和石墨态碳粉的颗粒粒径为500nm～1μm；(2)以步骤(1)得到的Fe_nW_nC-Co(Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺，在金属基体表面获得Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米复合涂层；

所述的激光熔覆工艺为：激光熔覆功率为3～5kW ，扫描速度3～10mm·s^-1，激光光斑直径20～50mm，离焦量0～6mm；保护气体为氮气、氦气或氖气。

2.权利要求1所述制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，所述的金属基体为钛合金或铝合金。

3.权利要求1所述制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特 征在于，步骤(1)中所述的低速机械混合的工艺为：用球磨将Fe_nW_nC合金粉末与Co粉末、Y₂O₃粉末原料混合2～5hr，球磨直径5～10mm，转速30～50rps，原料与球磨的重量比为20～50∶1。

4.权利要求1所述制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中所述Fe_nW_nC合金粉末、Co粉末和Y₂O₃粉末颗粒的粒径为500nm～1μm。

5.权利要求1所述制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的保护气体流速为0.3～1.5L·min^-1，激光器内压和保护气压分别为550～600kPa和320～380kPa。

6.权利要求1所述制备Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中宽带熔覆送粉器的转速为10～16r·min^-1。

7.一种Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层，其特征在于，通过权利要求1～6任一项所述的方法制备。

8.权利要求7所述Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层在制备和修复航空发动机叶片方面的应用。 

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