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CN110344054A - 一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法 - Google Patents

一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法 Download PDF

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CN110344054A
CN110344054A CN201910728582.8A CN201910728582A CN110344054A CN 110344054 A CN110344054 A CN 110344054A CN 201910728582 A CN201910728582 A CN 201910728582A CN 110344054 A CN110344054 A CN 110344054A
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laser cladding
titanium
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coating
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李铸国
冯悦峤
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Shanghai Jiao Tong University
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Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明公开了一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，包括步骤1、LaB6预先添加在激光熔覆粉末中制备混合粉末；步骤2、对钛合金板基板表面进行打磨和清洗；步骤3、将步骤1所述混合粉末涂覆在步骤2所述钛合金基板表面，进行激光熔覆得到改性后的钛合金基板；步骤4、对步骤3所述改性后的钛合金基板进行摩擦磨损试验。本发明通过细化晶粒、固O及晶粒更均匀的分布，提升了钛基激光熔覆涂层的硬度、塑韧性、耐磨性及抗高温氧化性等性能。

Description

一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法。
背景技术
钛合金由于良好的强度-重量比、优异的耐腐蚀性能等，在工业领域的各个部门已经得到了较为广泛的应用。然而，目前由于钛合金本身具有耐磨性较差、高温下易氧化的缺陷限制了钛合金部件在磨损或高温条件下的应用。
随着激光技术的发展，激光熔覆技术已被广泛的应用于钛合金零件表面的改性，可以较为有效地提高其表面耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性能等。其中钛基复合材料涂层得到了广泛应用，它包含陶瓷等其他第二相颗粒，可有效提高涂层的综合性能。然而涂层的韧性有所降低，且第二相与基体之间具有一定的物理性质差异，会引起较大的裂纹倾向。晶粒细化是一种有效的降低裂纹倾向提高涂层性能的方法。添加稀土元素的方法在近年来得到了关注和一定的应用，在激光熔覆领域绝大多数稀土添加方式还是以直接添加稀土氧化物的方式，存在着分布不均匀、与基体的润湿结合不够好等缺陷。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的稀土元素添加方式，用于对钛基激光熔覆复合涂层进行组织性能改善具有重大的意义，可以大大扩展钛合金在工业领域的应用范围，延长其服役寿命，降低全周期成本。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提高钛基激光熔覆涂层的硬度、塑韧性、耐磨性及抗高温氧化性。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、LaB6预先添加在激光熔覆粉末中制备混合粉末；
步骤2、对钛合金板基板表面进行打磨和清洗；
步骤3、将步骤1所述混合粉末涂覆在步骤2所述钛合金基板表面，进行激光熔覆得到改性后的钛合金基板；
步骤4、对步骤3所述改性后的钛合金基板进行摩擦磨损试验。
进一步地，步骤1所述LaB6添加的质量分数为1-5％。
进一步地，步骤1所述LaB6的粒径为30-75μm。
进一步地，步骤1所述激光熔覆粉末为Ti+AlB2。
进一步地，步骤1所述制备混合粉末方法为球磨，其中球料比2-4:1，转速200-400转/分钟，球磨时间120-180分钟。
进一步地，步骤2所述钛合金板基板为TC4，所述钛合金板基板尺寸为200mm×80mm×20mm。
进一步地，步骤2所述打磨为砂轮机打磨。
进一步地，步骤2所述清洗为用丙酮清洗。
进一步地，步骤3所述激光熔覆采用8kW高功率半导体激光熔覆系统，其中扫描速度2-7mm/s，激光功率1-5kW，送粉速率10-20g/min，并在氩气保护下进行。
进一步地，步骤4所述摩擦磨损试验选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。
本发明的技术效果如下：
1、在钛基熔覆粉末体系中添加LaB6，La元素与O元素在熔覆过程中发生原位反应，生成了弥散分布的纳米La2O3颗粒，起到一定的析出强化作用，同时纳米La2O3颗粒会对其他第二相颗粒具有显著的异质形核效应，从而显著降低熔覆层整体的晶粒尺寸，使第二相颗粒更加均匀，降低了涂层残余应力集中程度从而不易产生裂纹也增强了耐磨性；
2、B元素与Ti元素在熔池中发生原位反应，生成TiB第二相颗粒，进一步提升了熔覆层的硬度；
3、添加La之后，La元素在熔池中通过原位反应的方式把O元素固定下来，提升了其塑韧性具有有利的作用；
4、在高温氧化环境下，La元素具有增强钛基复合涂层中Al元素的选择性氧化、细化氧化膜晶粒等作用，使氧化膜层较为致密且与涂层的结合更为紧密，提升了高温抗氧化性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例中涂层的EBSD相图；
图2是本发明的较佳实施例中涂层的晶粒尺寸统计数据；
图3是本发明的较佳实施例中涂层的O元素分布图；
图4是本发明的较佳实施例中涂层的残余应力分布图；
图5是本发明的较佳实施例中涂层的平均硬度值；
图6是本发明的较佳实施例中涂层的磨损性能；
图7是本发明的较佳实施例中涂层的拟合高温氧化增重曲线。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
将LaB6预先添加在Ti+AlB2激光熔覆粉末中，LaB6质量百分比为3％，AlB2的质量百分比为20％，其余为Ti。采用球磨的工艺制备混合粉末，球料比4:1；转速400转/分钟，球磨时间180分钟。选用TC4钛合金板基板，基板尺寸为200mm×80mm×20mm，基板表面用砂轮机打磨，而后用丙酮清洗。选用8kW高功率半导体激光熔覆系统(LaserlineLDF-8000)，扫描速度4mm/s，激光功率2kW，送粉速率约12g/min。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行。摩擦磨损试验中选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。分别在650℃、700℃、750℃、800℃下测试高温氧化增重。
实施例2
将LaB6预先添加在Ti+AlB2激光熔覆粉末中，LaB6质量百分比为1.5％，AlB2的质量百分比为20％，其余为Ti。采用球磨的工艺制备混合粉末，球料比4:1；转速400转/分钟，球磨时间180分钟。选用TC4钛合金板基板，基板尺寸为200mm×80mm×20mm，基板表面用砂轮机打磨，而后用丙酮清洗。选用8kW高功率半导体激光熔覆系统(LaserlineLDF-8000)，扫描速度4mm/s，激光功率2kW，送粉速率约12g/min。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行。摩擦磨损试验中选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。分别在650℃、700℃、750℃、800℃下测试高温氧化增重。
实施例3
将LaB6预先添加在Ti+AlB2激光熔覆粉末中，LaB6质量百分比为4.5％，AlB2的质量百分比为20％，其余为Ti。采用球磨的工艺制备混合粉末，球料比4:1；转速400转/分钟，球磨时间180分钟。选用TC4钛合金板基板，基板尺寸为200mm×80mm×20mm，基板表面用砂轮机打磨，而后用丙酮清洗。选用8kW高功率半导体激光熔覆系统(LaserlineLDF-8000)，扫描速度4mm/s，激光功率2kW，送粉速率约12g/min。整个激光熔覆过程在氩气保护下进行。摩擦磨损试验中选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。分别在650℃、700℃、750℃、800℃下测试高温氧化增重。
图1是涂层的EBSD相图，添加LaB6后涂层内的原有物相种类未发生改变，依然为α-Ti、TiB、Ti3Al。除此之外，La元素与O元素在熔覆过程中发生原位反应，生成了少量La2O3颗粒。总体来说，添加LaB6后涂层的第二相颗粒会变得细小，分布也会更加弥散。添加含量为1.5％时，稀土元素由于低的含量作用效果相对较小；添加含量为3.0％时，稀土元素具有较为明显的作用效果；添加含量为4.5％时，稀土元素添加过量，作用效果较3.0％时有所下降。
图2是涂层的晶粒尺寸统计数据，添加了LaB6的涂层具有显著的晶粒细化效果。添加的LaB6含量为3.0％时效果最好，涂层晶粒的平均尺寸从未添加时的2.04μm降低到0.99μm，下降了51.43％。添加了LaB6的涂层的晶粒尺寸误差棒都比未添加的小，说明添加稀土元素还存在晶粒尺寸均匀化效果。
图3是涂层的O元素分布图，未添加稀土的涂层中，O元素以游离态或固溶态较为均匀地分布在涂层中，而添加La之后，O元素会集中分布在几个点附近。结合扫描及能谱结果，集中的这些点为涂层中的La2O3颗粒。La元素在熔池中通过原位反应的方式把O元素固定下来。一般来说，钛合金材料中降低固溶的O含量对于提升其塑韧性具有有利的作用。
图4是涂层的残余应力分布图，在不添加稀土元素的涂层中，存在着明显的残余应力集中区域，而在添加合适稀土含量的涂层中残余应力的集中区域大大减少。这与稀土元素的晶粒细化和分布均匀化作用有关，对于降低涂层的裂纹敏感性具有有利的作用。
图5是涂层的平均硬度值，添加LaB6后涂层的硬度值有所提升。当添加含量为3.0％时，涂层的平均硬度值最高，为917HV。
图6是涂层的磨损性能，添加LaB6后涂层的磨损性能有所改善。不含LaB6的涂层具有最大的磨损量和摩擦系数，分别为0.04285g和0.29；添加3.0％LaB6时，涂层具有最小的磨损量和摩擦系数，分别为0.03411g和0.23。
图7是涂层的拟合高温氧化增重曲线，添加LaB6后涂层的高温抗氧化性能有所改善。当添加LaB6含量为3％时，650℃、700℃温度时间条件下，涂层的氧化增重量均明显小于未添加的涂层。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、LaB6预先添加在激光熔覆粉末中制备混合粉末；
步骤2、对钛合金板基板表面进行打磨和清洗；
步骤3、将步骤1所述混合粉末涂覆在步骤2所述钛合金基板表面，进行激光熔覆得到改性后的钛合金基板；
步骤4、对步骤3所述改性后的钛合金基板进行摩擦磨损试验。
2.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤1所述LaB6添加的质量分数为1-5％。
3.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤1所述LaB6的粒径为30-75μm。
4.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤1所述激光熔覆粉末为Ti+AlB2。
5.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤1所述制备混合粉末方法为球磨，其中球料比2-4:1，转速200-400转/分钟，球磨时间120-180分钟。
6.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤2所述钛合金板基板为TC4，所述钛合金板基板尺寸为200mm×80mm×20mm。
7.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤2所述打磨为砂轮机打磨。
8.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤2所述清洗为用丙酮清洗。
9.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤3所述激光熔覆采用8kW高功率半导体激光熔覆系统，其中扫描速度2-7mm/s，激光功率1-5kW，送粉速率10-20g/min，并在氩气保护下进行。
10.如权利要求1所述的利用LaB6对钛基激光熔覆涂层进行改性的方法，其特征在于，步骤4所述摩擦磨损试验选用的摩擦副为刚玉陶瓷，试验载荷50N，转速200rpm，试验时间为60min。
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