CN104388931A

CN104388931A - 一种通过激光加工使钛合金表面非晶-纳米化的方法

Info

Publication number: CN104388931A
Application number: CN201410759195.8A
Authority: CN
Inventors: 李嘉宁; 张元彬; 刘鹏; 袁兴栋; 孙俊华; 姜春成
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-03-04

Abstract

本发明公开了一种通过激光加工使钛合金表面非晶-纳米化的方法。激光合金化前，清理钛合金表面，并拭净、吹干；将一定质量比例的Stellite12基底粉末与B₄C、Sb混合粉末用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）均匀调成糊状；所述基底粉末为Stellite12，基底粉末尺寸1～370μm，B₄C及Sb粉末尺寸4～400μm；将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层厚度0.3～2mm，自然风干；用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光合金化处理，激光束垂直扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒；工艺参数为激光功率450～3000W，扫描速度1～18mm/s，光斑直径1～9mm，氩气保护气压0.1～1.2MPa。本发明能够获得硬度及耐磨性较钛合金基材显著提高的非晶-纳米化激光合金化涂层。

Description

一种通过激光加工使钛合金表面非晶-纳米化的方法

技术领域

本发明涉及一种实现钛合金表面非晶-纳米化的方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用Sb改善Stellite基TiB2-TiC强化激光合金化涂层耐磨性及表面形貌的方法。

背景技术

钛合金具有高比强度，高比模量以及优异耐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天等领域。但钛合金表面耐磨性差，限制了其潜能的发挥。激光合金化是一种新型的表面改性技术，可显著改善材料表面性能，主要针对磨损失效材料进行修复，具有效率高、速度快、绿色环保无污染及处理后工件性能好等特点。非晶态合金作为一种新型材料，具有高屈服强度、大弹性应变极限及高耐磨性等优异性能；纳米晶因其特殊的结构与尺寸效应，具有一般材料难以获得的优异性能，如高耐磨性与耐高温氧化性等。且近年来，随着纳米材料的飞速发展，纳米技术开始应用于表面工程，形成了“纳米表面工程”新领域，并作为一种特殊的应用技术受到国内外军方的高度重视。Stellite合金，即通常所说的CoCrW（Mo）合金或钴基合金，是一种耐磨损和抗高温氧化的硬质合金。将适量Stellite加入到激光合金化涂层中，涂层将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨及耐热等特点。激光合金化陶瓷颗粒增强复合涂层是提高钛合金表面耐磨和抗高温氧化等性能的有效途径，可使合金化涂层与钛合金基体产生冶金结合，形成具有良好强韧性的涂层。通过激光合金化技术可修复各种失效零件，如航空发动机涡轮叶片等。Sb对Stellite基激光合金化涂层的纳米化过程，是利用Sb在激光熔池中原位生成的诸如CoSb及CoCr等纳米颗粒来抑制其它晶化相长大的过程，也是大量纳米晶生成的过程。且CoSb纳米晶在高温熔池中具有极高的扩散率，易引发晶格畸变，使涂层发生非晶化转变。

基于上述原因，本发明提出了一种能够降低生产成本，增强钛合金表面硬度与耐磨性的材料表面激光非晶纳米化处理方法。直接用水玻璃溶液将Stellite 12-B₄C-Sb混合粉末均匀搅拌成糊状涂覆于钛合金表面，而后进行激光合金化处理。因基材钛合金对激光熔池的稀释作用，大量Ti由基材进入激光熔池中，可与激光熔池中诸多化学元素发生化学反应，生成诸如TiB₂、TiC等极具耐磨性的化合物。扫描电镜照片表明，Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生（见图1）。

采用HV-1000型显微硬度计测试激光合金化涂层的硬度，载荷为200 g，加载时间为5秒，自试样表层向内每隔0.12 mm测定一次硬度值。采用MM200磨损试验机测定合金化涂层的抗磨性能。选用尺寸为Φ40×12的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷为2～8 kg。

磨损体积：磨损试验中每隔10分钟测量一次磨痕宽度或磨损失重；磨痕宽度采用体积显微镜测定，经过多点测定后取平均值作为测量结果。利用如下公式近似计算磨损体积。

V=l{r²arcsin -}

式中： V是磨损体积，单位是mm³；

l是磨痕长度（即试样宽度），单位mm；

b是磨痕宽度，mm；

r是磨轮半径，mm。

激光合金化后，Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层硬度可达1300～1400 HV_0.2（见图2）。

Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层具有较高的硬度与较好的磨损性能及组织结构，该合金化涂层的磨损体积为TA15合金基材的1/12（见图3和表1）。

表1是Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层与TA15磨损试验结果

发明内容

本发明针对钛合金表面Stellite基TiB₂-TiC增强激光合金化涂层表面形貌凹凸不平及耐磨性能不稳定的缺陷，通过Sb加入使激光合金化涂层进一步非晶-纳米化，从而改善涂层表面形貌及耐磨性。该项技术可应用于飞机零件制造中以及航空领域部件修复等诸多方面。

本发明具体步骤：

（1）将一定质量比例的Stellite 12与B₄C、Sb混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末为Stellite 12尺寸1～370μm，B₄C及Sb粉末尺寸4～400 μm；

（2）将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层厚度0.3～2 mm，自然风干；

（3）用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光合金化，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数：激光功率450～3000 W，扫描速度1～18 mm/s，光斑直径1～9 mm，氩气保护气压0.1～1.2 MPa。

在混合粉末涂覆之前可清理钛合金表面，并拭净、吹干。

所述步骤（1）中的水玻璃溶液的模数为2.2～3.7。

步骤（2）所述的钛合金可为TA15\TA2等牌号钛合金。

步骤（2）所述的混合粉末中，各成分及其质量分数：B₄C4%-36%， Sb2%-9%，余量为Stellite 12。其中Stellite 12的名义化学成分：C1.40，Cr29.50，Si1.45，W8.25，Fe3.00，Mo1.00，Ni3.00，Mn1.00，余为Co。

本发明是在氩气作为保护气条件下，试样表面发生激光合金化。在激光合金化过程中，试样保持原有运动速度不变。试样表面完全激光合金化发生后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。后关闭保护气的原因是为了使保护气对试样表面进行充分保护。

本发明能够获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金表面强化涂层。本发明有工艺简单方便、适用性强、便于推广应用等优点。

说明书附图

图1是钛合金表面Stellite 12-B₄C-Sb 激光合金化涂层的宏观SEM像；

图2是 Stellite 12- B₄C-Sb 激光合金化涂层的显微硬度分布；

图3是 Stellite 12-B₄C-Sb 激光合金化涂层与TA15钛合金的磨损体积。

具体实施方式

实施例1：

将TA15合金切成长度35 mm、宽度10 mm、厚度10 mm长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干；而后，将质量分数81%的Stellite 12、质量分数15%的B₄C、质量分数4%的Sb混合粉末激光合金化于其35 mm×10 mm面上。

具体工艺步骤：

(1) 激光合金化前，用240号砂纸打磨TA15钛合金待合金化表面，使其表面粗糙度达Ra 2.5 μm；然后用体积百分比为10%硫酸水溶液对该表面进行酸洗，酸洗时间5～10 min；酸洗后，用清水冲洗、用酒精将该表面擦拭干净、吹干；

(2) 用玻璃试管配置20毫升的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中纯水玻璃与水体积配置

比例为1：3，即量取5毫升的纯水玻璃和15毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀；

(3) 在天平上分别称取Stellite 12合金粉末0.81g、B₄C粉0.15g、Sb0.4g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。Stellite 12基底粉末尺寸10～200 μm，B₄C、Sb粉末尺寸20～300 μm；

(4) 将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度0.8 mm，自然风干；

(5) 用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光合金化处理，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数：激光功率800 W，扫描速度6 mm/s，光斑直径4 mm，氩气保护气压0.4 MPa；

(6) 具体步骤：将晾干的试样放置于正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激光合金化前的钛合金涂层表面。位置调整好之后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器发射口拉开一定的距离，然后尽快让试样向激光喷口以2.5 mm/s速度匀速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光合金化。试样表面完全发生完激光合金化反应后，将激光关闭，再过一秒钟以后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了是使保护气对试样表面进行充分的保护。激光合金化后，试样表面硬度可以达到1350～1400 HV_0.2,激光合金化层磨损体积约为TA15的1/11（见表2）；

表2 Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层与TA15基材磨损试验结果

实施例2：

将TA2合金切成长度30 mm、宽度10 mm、厚度10 mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后，将质量分数85%Stellite 12、质量分数10%B₄C、质量分数5%Sb的混合粉末激光合金化于其30 mm×10 mm面上。

具体工艺步骤：

(1) 在激光合金化之前，用240号砂纸打磨TA2钛合金待激光合金化表面，使其表面粗糙度达到Ra 2.5 μm；然后用体积百分比为10%硫酸水溶液对待激光合金化表面进行清洗，酸洗时间为5～10 min；酸洗后，用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；

(2) 用玻璃试管配置40毫升的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积

配置比例为1：3，即量取10毫升的纯水玻璃和30毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀；

(3) 在天平上分别称取Stellite 12合金粉末0.85 g、B₄C粉0.10 g、Sb粉0.5 g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数为2.2～3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。Stellite 12粉末的尺寸20～100 μm，B₄C、Sb粉末尺寸40～200 μm；

(4) 将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层的厚度为0.6 mm，自然风干；

(5) 用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光合金化，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数：激光功率900 W，扫描速度4 mm/s，光斑直径4 mm，氩气保护气压为0.6 MPa；

(6) 具体步骤：将晾干的试样放置在正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激

光合金化前的钛合金涂层表面。位置调整好之后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器发射口拉开一定的距离，然后尽快让试样向激光喷口以4 mm/s速度匀速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光合金化。试样表面完全发生完激光合金化反应后，将激光关闭，再过一秒钟以后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了是使保护气对试样表面进行充分的保护。激光合金化后，试样表面硬度可以达1400～1450 HV_0.2, 激光合金化层的磨损体积约为TA2基体的1/14（见表3）。

表3 Stellite 12-B₄C-Sb激光合金化涂层与TA2基材磨损试验结果

Claims

1.一种通过激光加工使钛合金表面非晶-纳米化的方法，包括以下步骤；

（1）将一定质量比例的基底粉末与Stellite 12与B₄C、Sb混合粉末用水玻璃溶液（Na₂O·nSiO₂）均匀调成糊状；所述基底粉末为Stellite 12金属间化合物，基底粉末尺寸1～370 μm，B₄C及Sb粉末尺寸4～400 μm；

（2）将糊状混合粉末均匀地涂敷在TA2或TA15钛合金表面，涂层厚度0.3～2 mm，自然风干；

（3）用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光合金化，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数为激光功率450～3000 W，扫描速度1～18 mm/s，光斑直径1～9 mm，氩气保护气压为0.1～1.2 MPa。

2.根据权利要求1所述一种通过激光加工使钛合金表面非晶-纳米化的方法，其特征是，步骤（2）所述的混合粉末中，各成分质量分数为：B₄C4%～36%，Sb2%～9%，余量为Stellite 12。