CN104480460B - 一种钛合金表面激光熔覆原位自生耐磨自润滑涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金表面激光熔覆原位自生的耐磨自润滑复合材料涂层，涂层为碳化钛硬质陶瓷耐磨相和低摩擦系数的碳化铝钛金属陶瓷自润滑相均匀分布在钛基体上。该涂层中的碳化钛和碳化铝钛均为原位生成，增强颗粒与基体的相容性好，避免了外加增强颗粒的污染问题以及增强颗粒与基体的界面反应问题，增强体和基体界面结合良好，增强颗粒和基体在热力学上稳定，而且碳化铝钛金属陶瓷具有比传统固体润滑剂颗粒更低的摩擦系数和良好的自润滑性能。本发明耐磨自润滑复合材料涂层硬度高、摩擦系数小，能够显著改善钛合金的耐磨性和自润滑性能，扩大钛合金零部件的使用范围，延长钛合金零部件的使用寿命，降低能耗和生产成本。
Description
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，涉及到钛合金激光熔覆涂层技术，特别涉及到钛合金表面原位自生的耐磨自润滑复合材料涂层。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、热稳定性好、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，并具有良好的抗腐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空、航天、化工、海洋、汽车等领域。但钛合金存在着硬度低、高温高速摩擦易燃(“钛火”)、耐磨性能较差、摩擦系数高且不稳定、以及严重的粘着磨损和微动磨损敏感性等固有缺点，限制了钛合金作为摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥。因此通过表面改性处理制备涂层改善其摩擦学行为是必需的环节。
随着激光技术的发展，用于材料表面改性的激光熔覆方法日益受到人们的关注。目前采用激光熔覆表面处理技术提高钛合金磨损性能的耐磨减摩涂层主要是添加颗粒状的陶瓷增强相和固体润滑剂。传统外加法需要解决增强体浸润、制备过程中增强相与基体的界面反应以及昂贵的成本等问题。原位合成方法中增强颗粒与基体的相容性好，避免了外加增强颗粒的污染问题以及增强颗粒与基体的界面之间的化学反应问题，增强体和基体界面结合良好，而且增强颗粒和基体在热力学上稳定。MAX系三元化合物Ti3AlC2具有与石墨一样的层状结构，且MAX系材料所特有金属和陶瓷双重性能使得其拥有比传统的固体润滑剂石墨、二硫化钼更低的摩擦系数和良好的自润滑性能。本发明通过在钛合金基材表面激光熔覆原位自生制备含TiC和Ti3AlC2的耐磨自润滑复合材料涂层，在提高钛合金耐磨性能的同时降低其摩擦系数和磨损率，有效地保护钛合金工件及与其配对的摩擦副。
发明内容
本发明要解决的技术问题是钛合金硬度低、摩擦系数高引起的耐磨性能差等问题，提供一种结合力强、硬度高、摩擦系数低的钛合金表面激光熔覆原位自生的耐磨自润滑复合材料涂层。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
(1)将待激光熔覆的钛合金表面采用砂纸或磨光机打磨，除去氧化皮和油污，用无水乙醇将打磨后的基材表面清洗干净；
(2)将合金粉末与有机粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，涂覆在待熔覆的钛合金基材表面，预置层厚度约为1mm，置于干燥箱烘干10h备用；批量件可采用同步送粉法直接在钛合金工件表面进行激光熔覆。
(3)整个熔覆过程在充满氩气的密封箱内进行，密封箱中的氧含量低于80ppm，以保证钛合金基材表面形成良好的保护气氛，保护气体流量为10～15L/min；
(4)采用圆形激光束对钛合金基材表面预置粉末区域进行辐射扫描熔覆，采用纯氩气作为保护气体；激光熔覆工艺参数如下：激光功率为3～4kW，光斑直径为5～6mm，扫描速度为3～8mm/s；通过严格控制激光束能量，调节对钛合金基材的稀释作用，以原位自生形成耐磨自润滑复合材料涂层，并提高涂层致密度，保持涂层的优异性能；激光熔覆后在密封箱中冷却至室温，以防止氧化。激光熔覆后不再对工件进行热处理。
其中：上述步骤(1)中的待熔覆钛合金基材采用TA15钛合金，其化学成分质量百分比为：Al5.5～7.0％，Zr1.5～2.5％，Mo0.5～2.0％，V0.8～2.5％，C≤0.10％，Fe≤0.25％，Si≤0.15％，O≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，其它杂质≤0.30％，Ti余量。
其中：上述步骤(1)中的待熔覆钛合金基材也可以采用TC4钛合金，其化学成分质量百分比为：Al5.5～6.8％，V3.5～4.5％，C≤0.10％，Fe≤0.30％，O≤0.20％，N≤0.05％，H≤0.015％，其它杂质≤0.40％，Ti余量。
其中：上述步骤(2)中的有机粘结剂采用乙酸纤维素浓度为2.5％的丙酮溶液；预先涂覆时保证预置层厚度均匀。
其中：上述步骤(2)中的合金粉末为粒度75～150μm的Ti粉和Al粉、粉末粒度约为2.6μm的TiC粉，粉末纯度都为99.5％以上。
与现有技术相比，本发明的效果和益处有：
(1)对钛合金基材进行表面改性，可延长工件使用寿命，节约成本，达到节能减排的目的。
(2)激光熔覆涂层均匀、致密，且与钛合金基材实现冶金结合，熔覆过程能量集中，对基材的热影响较小，基材变形小，熔覆效果良好，生产效率高，工艺过程稳定性好，质量可靠。
(3)选用的熔覆合金粉末能够实现涂层中的自润滑相原位生成，与涂层基体结合强度高；涂层中的基体与耐磨增强相和自润滑相完全熔合在一起，保证了涂层既具有较高的硬度，又具有很低的摩擦系数，磨损性能大幅提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明绝非仅限于实施例。
实施例1：
厚度为10mm的TA15钛合金板材，其化学成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V；激光束光斑为圆形，采用预置粉末激光熔覆方法在钛合金表面原位自生TiC/Ti/Ti3AlC2多相耐磨自润滑复合材料涂层。
(1)激光熔覆设备及熔覆材料
激光熔覆设备采用德国Laserline公司生产的LDF 10000-100型高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆实验采用粉末粒度为75～150μm的Ti粉和Al粉、粉末粒度约为2.6μm的TiC粉，粉末纯度都为99.5％以上。
(2)预先处理
合金粉末配制好以后置于100℃烘箱干燥10h除潮。TA15钛合金板材待熔覆表面用砂纸打磨，以去除氧化膜和油污，并用丙酮清洗，采用粘结法将合金粉末预置在TA15钛合金表面，预置厚度为1mm。
(3)熔覆工艺及参数
采用激光束对合金粉末及TA15钛合金表层区域进行单道扫描熔化，随着激光束的移动形成熔覆层。激光熔覆工艺参数如下：激光功率为3kW，光斑直径为5mm，扫描速度为5mm/s。整个熔覆过程在充满氩气的密封箱内进行以防止熔池和熔覆金属氧化，密封箱中氧含量低于80ppm。
所述熔覆合金粉末，其化学成分以质量百分比为Ti:Al:TiC＝2:1.2:2。
获得的耐磨自润滑复合材料涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，熔覆层显微组织细密，可显著提高钛合金基材表面的磨损性能。
实施例2：
厚度为10mm的TA15钛合金板材，其化学成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V；激光束光斑为圆形，采用预置粉末激光熔覆方法在钛合金表面原位自生TiC/Ti/Ti3AlC2多相耐磨自润滑复合材料涂层。
(1)激光熔覆设备及熔覆材料
激光熔覆设备采用德国Laserline公司生产的LDF 10000-100型高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆实验采用粉末粒度为75～150μm的Ti粉和Al粉、粉末粒度约为2.6μm的TiC粉，粉末纯度都为99.5％以上。
(2)预先处理
合金粉末配制好以后置于100℃烘箱干燥10h除潮。TA15钛合金板材待熔覆表面用砂纸打磨，以去除氧化膜和油污，并用丙酮清洗，采用粘结法将合金粉末预置在TA15钛合金表面，预置厚度为1mm。
(3)熔覆工艺及参数
采用激光束对合金粉末及TA15钛合金表层区域进行单道扫描熔化，随着激光束的移动形成熔覆层。激光熔覆工艺参数如下：激光功率为3kW，光斑直径为5mm，扫描速度为5mm/s，整个熔覆过程在充满氩气的密封箱内进行以防止熔池和熔覆金属氧化，密封箱中氧含量低于80ppm。
所述熔覆合金粉末，其化学成分以质量百分比为Ti:Al:TiC＝1:0.8:2。
获得的耐磨自润滑复合材料涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，熔覆层显微组织细密，可显著提高钛合金基材表面的磨损性能。
实施例3：
厚度为10mm的TC4钛合金板材，其化学成分为Ti-6Al-4V；激光束光斑为圆形，采用预置粉末激光熔覆方法在钛合金表面原位自生TiC/Ti/Ti3AlC2多相耐磨自润滑复合材料涂层。
(1)激光熔覆设备及熔覆材料
激光熔覆设备采用德国Laserline公司生产的LDF 10000-100型高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆实验采用粉末粒度为75～150μm的Ti粉和Al粉、粉末粒度约为2.6μm的TiC粉，粉末纯度都为99.5％以上。
(2)预先处理
合金粉末配制好以后置于100℃烘箱干燥10h除潮。TC4钛合金板材待熔覆表面用砂纸打磨，以去除氧化膜和油污，并用丙酮清洗，采用粘结法将合金粉末预置在TC4钛合金表面，预置厚度为1mm。
(3)熔覆工艺及参数
采用激光束对合金粉末及TC4钛合金表层区域进行单道扫描熔化，随着激光束的移动形成熔覆层。激光熔覆工艺参数如下：激光功率为3kW，光斑直径为5mm，扫描速度为5mm/s，整个熔覆过程在充满氩气的密封箱内进行以防止熔池和熔覆金属氧化，密封箱中氧含量低于80ppm。
所述熔覆合金粉末，其化学成分以质量百分比为Ti:Al:TiC＝1:0.8:2。
获得的耐磨自润滑复合材料涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，熔覆层显微组织细密，可显著提高钛合金基材表面的磨损性能。
Claims (2)
1.一种钛合金表面激光熔覆原位自生耐磨自润滑涂层，其特征在于：涂层内部微观组织由原位自生的碳化钛陶瓷和碳化铝钛金属陶瓷均匀分布在钛基体上，碳化钛陶瓷作为硬质耐磨增强相，低摩擦系数的碳化铝钛金属陶瓷作为自润滑相；制备工艺如下：
(1)将待激光熔覆的基材表面打磨、清洁，除去氧化皮和油污；
(2)将熔覆合金粉末与有机粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，预先涂覆在待熔覆的钛合金基材表面，预置层厚度为1mm，置于干燥箱烘干10h备用；
(3)整个熔覆过程在充满氩气的密封箱内进行，在进行激光熔覆前及熔覆过程中通氩气，以达到真空度，保证钛合金基材表面形成良好的保护气氛，保护气体流量为10～15L/min；
(4)采用激光束对钛合金基材表面预置粉末区域进行辐射扫描熔覆，激光熔覆工艺参数如下：激光功率为3～4kW，光斑直径为5～6mm，扫描速度为3～8mm/s；激光熔覆后在密封箱中冷却至室温，以防止氧化。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面激光熔覆原位自生耐磨自润滑涂层，其熔覆合金粉末为：Ti粉、Al粉和TiC粉，或者Ti粉、Al粉和C粉。
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