CN108130527A - 一种wc颗粒增强复合涂层 - Google Patents
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Abstract
一种WC颗粒增强复合涂层，为了提高 Ti6Al4V钛合金的耐磨特性，在Ti6Al4V钛合金表面利用激光沉积制备了以 WC颗粒为强化相的涂层。WC颗粒增强相均匀弥散分布在基体中，颗粒发生了部分熔化，从颗粒中心到基体分布呈现出不同的形态和组分。由于未熔WC 颗粒和生成的 TiC 弥散强化及激光沉积基体组织的细晶强化作用，基材的硬度和耐磨性均得到了提高。在相同的摩擦磨损条件下，基材的体积磨损量是复合涂层的55. 2倍。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种表面涂覆材料，尤其涉及一种WC颗粒增强复合涂层。
背景技术
Ti6Al4V 钛合金耐磨性能较差，限制了其性能潜力的发挥。为提高钛合金的耐磨性，进行了高温渗碳及渗氮表面热处理、物理气相沉积及化学气相沉积硬质耐磨层及等离子喷涂等研究，然而表面涂层和改性技术都存在不足，涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷，尤其是涂层与基体之间结合力弱，在接触机械应力和热应力联合作用下容易发生界面脱落现象。
目前广泛研究和应用的复合材料层主要有碳化物陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷及金属化合物等，SiC、TiC、Al2O3、TiB2、WC等高硬度陶瓷相的应用，使涂层的耐磨性得到了很大的提高。激光熔覆技术由于能量密度高、热影响区小等优点已经普遍用于制备金属陶瓷复合涂层材料，将金属的强韧性和陶瓷优异的耐磨、耐蚀性能有机结合，显著提高材料的耐磨性能。但是颗粒熔化和复合涂层开裂倾向大是目前存在的主要问题。虽然通过优化工艺参数等方法可以改善开裂等问题，但是未从本质上解决问题，而控制成分梯度变化被证明是解决开裂的一种有效的手段。而激光沉积成形技术是基于激光熔覆技术和快速成形技术，可通过精确控制两种或多种材料粉末的同轴输送实现材料组成、微观组织结构和性能的梯度分布，避免传统的粉末冶金法、熔铸法、燃烧合成法等技术制备的涂层存在明显的界面，易发生剥落损伤的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了改善Ti6Al4V 钛合金的耐磨性，设计了一种WC颗粒增强复合涂层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
WC颗粒增强复合涂层的制备原料包括：选择尺寸为100mm×60mm×30mm的Ti6Al4V 合金作为基材，沉积用材料为球形Ti6Al4V粉(粒度为44-100μm)和WC粉末(粒度为40-110μm)混合粉末。
WC颗粒增强复合涂层的制备步骤为：用砂纸打磨掉基材氧化层，用酒精清洗去除基材表面杂质， 将两种粉末分别放入送粉器的两个料仓，通过控制不同粉仓的送粉速率，使各沉积层组分按一定规律改变，WC的质量分数从第一层的0增至最后一层为20%。成形层数为6层，每层1mm，将基板和粉末在150℃真空干燥机中烘干5h。实验用激光器为5kW功率CO2横流激光器，惰性气体动态保护系统的真空度可达10-2Pa，充纯度为99.99%氩气，氧气含量<5×10-5。激光加工工艺参数为激光功率1800-2100W，焦距300mm，扫描速度2-10mm/s，同轴送粉速度3g/min，多道搭接率33%，载气压力0.2MPa，载气流量3L/min。
WC颗粒增强复合涂层的检测步骤为：采用SSX-550型扫描电镜(SEM)和OLYMPUS-DP71型光学显微镜(OM)分析梯度复合涂层的组织。用MVK-300型显微硬度计检测试样硬度，压头为正四棱锥金刚石，载荷砝码为100g，实验力保持时间20s。磨损实验在SRV-3摩擦磨损实验机上进行，对磨副为GCr15钢球，条件为室温大气干滑动摩擦磨损。用试样的磨痕体积来表征涂层的耐磨性能。实验时将试样表面研磨平整、清洗后将基材和试样分别粘贴在厚度为5mm的实验机自带圆柱体上表面中心位置。
所述的采用激光沉积成形工艺制备了以WC颗粒为增强相的复合材料涂层。 微观组织分析发现WC颗粒均匀弥散分布于Ti6Al4V基体上，WC颗粒呈现部分熔解状态，在与钛合金的基体的界面中发现生成的TiC相，表明二者是冶金结合。
所述的WC颗粒增强复合涂层的显微硬度分析显示涂层硬度呈现梯度上升趋势，硬度保持在HV390-460之间。
所述的WC颗粒增强复合涂层由于未熔WC颗粒和生成的TiC弥散强化及激光沉积基体组织的细晶强化作用，基材耐磨性均得到了显著提高。在室温大气干摩擦条件下，涂层和基材的磨损体积比为1/55.2。涂层的磨损机制以磨粒磨损为主，伴随着少量的粘结剥落。
本发明的有益效果是：
为了改进Ti6Al4V钛合金的耐磨性能，采用高硬度、高熔点的WC颗粒作为钛基耐磨复合涂层的增强相，在基材表面上制备良好冶金结合的涂层，通过控制材料组成构成实现其微观组织的梯度分布，从而消除传统复合材料宏观界面，实现基材与涂层材料的连续过渡，使材料性能呈梯度变化。
具体实施方式
实施案例1：
WC颗粒增强复合涂层的制备原料包括：选择尺寸为100mm×60mm×30mm的Ti6Al4V 合金作为基材，沉积用材料为球形Ti6Al4V粉(粒度为44-100μm)和WC粉末(粒度为40-110μm)混合粉末。WC颗粒增强复合涂层的制备步骤为：用砂纸打磨掉基材氧化层，用酒精清洗去除基材表面杂质， 将两种粉末分别放入送粉器的两个料仓，通过控制不同粉仓的送粉速率，使各沉积层组分按一定规律改变，WC的质量分数从第一层的0增至最后一层为20%。成形层数为6层，每层1mm，将基板和粉末在150℃真空干燥机中烘干5h。实验用激光器为5kW功率CO2横流激光器，惰性气体动态保护系统的真空度可达10-2Pa，充纯度为99.99%氩气，氧气含量<5×10-5。激光加工工艺参数为激光功率1800-2100W，焦距300mm，扫描速度2-10mm/s，同轴送粉速度3g/min，多道搭接率33%，载气压力0.2MPa，载气流量3L/min。WC颗粒增强复合涂层的检测步骤为：采用SSX-550型扫描电镜(SEM)和OLYMPUS-DP71型光学显微镜(OM)分析梯度复合涂层的组织。用MVK-300型显微硬度计检测试样硬度，压头为正四棱锥金刚石，载荷砝码为100g，实验力保持时间20s。磨损实验在SRV-3摩擦磨损实验机上进行，对磨副为GCr15钢球，条件为室温大气干滑动摩擦磨损。用试样的磨痕体积来表征涂层的耐磨性能。实验时将试样表面研磨平整、清洗后将基材和试样分别粘贴在厚度为5mm的实验机自带圆柱体上表面中心位置。
实施案例2：
随着混合粉末中WC颗粒含量的增加，基体中颗粒分布密度也相应增大。WC颗粒从中心到涂层基体的组织形貌逐渐发生变化，在复合涂层制备过程中，混合粉末中Ti6Al4V粉末由于熔点较WC颗粒低，首先发生熔化而形成熔池，在高能激光束和熔池作用下WC颗粒会在钛合金熔体中发生部分溶解(因吸收激光能量的不同，熔化程度和形貌各异)，从而使W元素和C元素向熔池中扩散，形成富W富C层。但由于Ti属于强碳化物形成元素，与C的亲和力远大于W，Ti与C很快结合形成TiC层而阻断了W元素的扩散，从而增强了颗粒与基体的润湿性，形成了牢固冶金结合。由于激光沉积成形技术的快热快冷特点，熔池中高熔点WC颗粒来不及完全熔化，从而有效控制溶入熔池中的C元素和W元素。
实施案例3：
显微硬度从基材到涂层呈现梯度上升，基材约为HV330左右，涂层硬度保持在HV390-460之间，涂层的显微硬度稳定表明其在相同厚度区域具有均匀的力学性能，有利于涂层在受到外力作用时保持稳定。在距离基体1.5mm距离处的涂层的显微硬度显著提高，可能是由于距离基体较近的涂层，由于熔池底部过冷度过大，导致熔池发生强烈的对流而使未溶解的WC局部沉底造成的，在以后的涂层中由于熔池的温度梯度逐渐减小，WC颗粒分布趋于均匀和分散，涂层的硬度随着WC颗粒量的增加而逐步增强。涂层获得高硬度的主要原因是，基体中弥散分布的大量的未被熔化的WC和少量的生成的TiC；颗粒增强相在承担载荷的过程中起到“骨架”作用，承担了主要的载荷，增强涂层的耐磨性能。WC与基体存在较好的润湿性，界面结合强度比较高，避免了金属相与陶瓷相强烈界面反应，降低了陶瓷颗粒剥落的几率，使涂层的耐磨性得到了明显强化。而材料的塑性变形则主要由基体完成，可以克服WC韧性差的缺点这样涂层就结合了金属材料的强韧性和陶瓷材料高硬度的优点。另外，激光沉积成形是个快速加热和冷却的过程，沉积层冷却以后得到快速凝固组织为细小均匀的马氏体组织，产生了细晶强化作用。综上所述，涂层的强化主要有：增强体承载、基体晶粒细化。
实施案例4：
在整个磨损过程中，基材的摩擦系数随时间变化较明显，呈现逐渐增大的趋势，而涂层的摩擦系数随时间变化平缓，磨损初期，基材的摩擦系数从0.5迅速升至0.85，进入稳定摩擦阶段后，基材的摩擦系数保持在0.75-0.85之间，而涂层摩擦系数在较短时间内(5min)迅速进入稳定阶段，此阶段中一直保持在0.9-0.95之间，并且波动较基材小。在相同室温大气干摩擦滑动，载荷为20N，振动频率10Hz，单向行程1mm，时间0.5h条件下，基材的体积磨损量为0.127mm3，涂层体积磨损量为0.0023mm3，基材的体积磨损量是涂层的55.2倍，表明涂层耐磨性能良好。Ti6Al4V基材和涂层的磨损表面形貌SEM照片。可见基材表面布满深浅不一的犁沟，存在明显的塑性变形，磨痕中的条状亮带即为钛合金在较高接触应力下产生的塑性延展时的边界。表面上出现了较多白色切屑状或者颗粒状磨粒，是磨粒磨损的典型特征。
实施案例5：
由于Ti6Al4V在摩擦过程中加工硬化较为严重，在后续的摩擦和冲击作用下，容易产生疲劳裂纹并被挤压撕裂，脱离后形成片状磨屑，加上脱离的硬质相颗粒等在摩擦副接触区域形成较硬的磨粒，从而形成明显的犁沟。而涂层磨损表面相对比较平整，分布着细小的划痕和一些脱落的颗粒，无明显的塑性变形和剥落，呈现出磨粒磨损的特征。涂层内部以及涂层与基体结合牢固，摩擦过程中WC颗粒不容易脱落或者剥落，表面的摩擦磨损性能得到提高。但在涂层上面有一层粘附层，粘附层的主要成分为Fe和O，由此可以推断，粘附层是在磨损过程中由对磨环上的材料转移到涂层表面上的，表明表面涂层在摩擦过程存在对磨副材料的转移；而氧元素的存在表明在磨损过程中伴随着一定氧化。
Claims (4)
1.一种WC颗粒增强复合涂层，制备原料包括：选择尺寸为100mm×60mm×30mm的Ti6Al4V 合金作为基材，沉积用材料为球形Ti6Al4V粉(粒度为44-100μm)和WC粉末(粒度为40-110μm)混合粉末。
2.根据权利要求1所述的WC颗粒增强复合涂层，其特征是WC颗粒增强复合涂层的制备步骤为：用砂纸打磨掉基材氧化层，用酒精清洗去除基材表面杂质，将两种粉末分别放入送粉器的两个料仓，通过控制不同粉仓的送粉速率，使各沉积层组分按一定规律改变，WC的质量分数从第一层的0增至最后一层为20%，成形层数为6层，每层1mm，将基板和粉末在150℃真空干燥机中烘干5h，实验用激光器为5kW功率CO2横流激光器，惰性气体动态保护系统的真空度可达10-2Pa，充纯度为99.99%氩气，氧气含量<5×10-5，激光加工工艺参数为激光功率1800-2100W，焦距300mm，扫描速度2-10mm/s，同轴送粉速度3g/min，多道搭接率33%，载气压力0.2MPa，载气流量3L/min。
3.根据权利要求1所述的WC颗粒增强复合涂层，其特征是WC颗粒增强复合涂层的检测步骤为：采用SSX-550型扫描电镜(SEM)和OLYMPUS-DP71型光学显微镜(OM)分析梯度复合涂层的组织，用MVK-300型显微硬度计检测试样硬度，压头为正四棱锥金刚石，载荷砝码为100g，实验力保持时间20s，磨损实验在SRV-3摩擦磨损实验机上进行，对磨副为GCr15钢球，条件为室温大气干滑动摩擦磨损，用试样的磨痕体积来表征涂层的耐磨性能，实验时将试样表面研磨平整、清洗后将基材和试样分别粘贴在厚度为5mm的实验机自带圆柱体上表面中心位置。
4.根据权利要求1所述的WC颗粒增强复合涂层，其特征是采用激光沉积成形工艺制备了以WC颗粒为增强相的复合材料涂层，微观组织分析发现WC颗粒均匀弥散分布于Ti6Al4V基体上，WC颗粒呈现部分熔解状态，在与钛合金的基体的界面中发现生成的TiC相，表明二者是冶金结合，显微硬度分析显示涂层硬度呈现梯度上升趋势，硬度保持在HV390-460之间，由于未熔WC颗粒和生成的TiC弥散强化及激光沉积基体组织的细晶强化作用，基材耐磨性均得到了显著提高，在室温大气干摩擦条件下，涂层和基材的磨损体积比为1/55.2，涂层的磨损机制以磨粒磨损为主，伴随着少量的粘结剥落，为了改进Ti6Al4V钛合金的耐磨性能，采用高硬度、高熔点的WC颗粒作为钛基耐磨复合涂层的增强相，在基材表面上制备良好冶金结合的涂层，通过控制材料组成构成实现其微观组织的梯度分布，从而消除传统复合材料宏观界面，实现基材与涂层材料的连续过渡，使材料性能呈梯度变化。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109929986A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-25 | 安徽信息工程学院 | 一种复合材料及其制备方法 |
| WO2024255301A1 (zh) * | 2023-06-12 | 2024-12-19 | 佛山桃园先进制造研究院 | 一种tc4钛合金表面复合耐磨涂层及其制备方法 |
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2016
- 2016-12-01 CN CN201611091798.0A patent/CN108130527A/zh active Pending
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| CN109929986A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-25 | 安徽信息工程学院 | 一种复合材料及其制备方法 |
| WO2024255301A1 (zh) * | 2023-06-12 | 2024-12-19 | 佛山桃园先进制造研究院 | 一种tc4钛合金表面复合耐磨涂层及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180608 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |