一種冰環(huán)境下使鈦合金表面激光熔覆涂層超細(xì)納米化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)鈦合金表面激光熔覆涂層超細(xì)納米化的方法，屬于材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種在冰環(huán)境下使鈦合金基材表面Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂層的顯微硬度極大提高，并實(shí)現(xiàn)基材表面超細(xì)納米化的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]鈦合金具有高比模量、高比強(qiáng)以及優(yōu)異耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。近年來，隨著納米材料的飛速發(fā)展，納米技術(shù)開始應(yīng)用于表面工程，形成了“納米表面工程”新領(lǐng)域，并作為一種特殊應(yīng)用技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外軍方的高度重視。激光加工可以針對(duì)鈦合金的不同服役條件，利用激光束加熱溫度高及冷卻速度快的特點(diǎn)在鈦合金表面制備納米晶增強(qiáng)復(fù)合涂層，可將納米材料優(yōu)異的耐磨性與金屬材料的高塑性、高韌性有機(jī)結(jié)合起來，可大幅度提高鈦合金的使用壽命。Stellite合金，即通常所說的CoCrW(Mo)合金或鈷基合金，是一種耐磨損和抗高溫氧化的硬質(zhì)合金。將適量Stellite加入到激光熔覆涂層中，涂層將具有高硬度、耐腐蝕、耐磨及耐熱等特點(diǎn)。Zn對(duì)Stellite基激光熔覆涂層的納米化過程，是利用Zn在激光熔池中原位生成諸如Co5Zn21及CoCr等納米顆粒來極大抑制其它晶化相長(zhǎng)大過程，也是大量納米晶生成的過程。且Co5Zn21納米晶在高溫熔池中具有極高的擴(kuò)散率，易引發(fā)晶格畸變，使激光熔覆涂層發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變。
[0004]基于上述原因，本發(fā)明提出了一種能夠降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)鈦合金表面硬度的材料表面超細(xì)納米化處理的方法。將一定比例的Stellite 4-B4C-Zn混合粉末在冰環(huán)境下激光熔覆于鈦合金表面?，F(xiàn)有鈦合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Stellite 4，直接用水玻璃溶液均勻攪拌成糊狀涂覆在鈦合金的表面，而后進(jìn)行激光熔覆。將制備好的鈦合金試樣放置于塑料容器中，塑料容器中的水剛好沒過試樣，而后將小塑料容器放置到冰箱冷凍室中直至其中的溶液完全凝固，凝固后整個(gè)實(shí)驗(yàn)待熔試樣的橫截面見圖1。
[0005]因基材對(duì)激光熔池的稀釋作用，大量Ti由基材進(jìn)入激光熔池中，可與激光熔池中的諸多化學(xué)元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成諸如TiB2、TiC等可顯著改善激光熔覆涂層耐磨性能的化合物。掃描電鏡照片表明，Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂層組織結(jié)構(gòu)均勻，無(wú)裂紋及氣孔產(chǎn)生(見圖2a)，且有大量納米棒(見圖2b)及納米顆粒生成(見圖2c)。在冰環(huán)境中進(jìn)行激光表面處理的目的是使超細(xì)納米顆粒及納米棒存在，從而大幅度提升激光涂層的顯微硬度。例如，將表面涂有Stellite 4-B4C-Zn預(yù)置涂層的鈦合金試樣在冰環(huán)境中進(jìn)行激光表面處理，冰使激光熔池的存在時(shí)間及最高溫度明顯下降，這將在很大程度抑制粗大TiBJ^狀析出物的產(chǎn)生，有利于TiB納米棒的生成；另一方面，激光熔池存在時(shí)間明顯下降將使小顆粒析出相的生長(zhǎng)時(shí)間明顯縮短，有利于超細(xì)納米晶的形成。
[0006]圖3顯示了冰環(huán)境中產(chǎn)生的Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂層的顯微硬度分布，可達(dá)1450?1500 HVa2，較未在冰環(huán)境下產(chǎn)生的Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂層提高了將近 300 HV0.2 ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)鈦合金表面Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂層組織結(jié)構(gòu)過于粗大，通過冰環(huán)境的加入使該熔覆涂層超細(xì)納米化，從而改善熔覆涂層的表面形貌及提升顯微硬度。該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于金屬零部件制造及修復(fù)等諸多方面。
[0008]發(fā)明具體步驟:
(1)將一定質(zhì)量比例的Stellite4與B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；所述基底粉末Stellite 4尺寸I?370 μ m, B4C及Zn粉末尺寸4?400 μ m ;
(2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在鈦合金表面，涂層厚度0.3?2 _，自然風(fēng)干；
(3)將制備好的鈦合金試樣放置在如圖3所示的小塑料容器中，其中水剛好沒過試樣，而后將小塑料容器放置于冰箱冷凍室中直至其中溶液完全凝固；
(3)用激光束對(duì)上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進(jìn)行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護(hù)熔池及鏡筒；工藝參數(shù):激光功率450?3500 W，掃描速度I?18 mm/s,光斑直徑I?9 mm，IS氣保護(hù)氣壓0.1?1.2 MPa。
[0009]所述步驟(I)中水玻璃溶液模數(shù)1.2?4.7 ;
步驟(2)所述鈦合金可為TA15\TA2\TC4\TC17牌號(hào)鈦合金；
步驟(2 )所述混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù):B4C3%-36%，Zn2%-9%，余量為Stellite 4。其中 Stellite 4 名義化學(xué)成分:C0.90，Cr32.00，Sil.00，W13.50，F(xiàn)el.00，Mo0.50，Ni3.00，Mn0.50，N1.50，余為 Co。
[0010]本發(fā)明是在氬氣作為保護(hù)氣條件下，試樣表面發(fā)生激光熔覆。在激光熔覆過程中，試樣保持原有運(yùn)動(dòng)速度不變。試樣表面完全激光熔覆發(fā)生后，將激光關(guān)閉，兩秒鐘后將保護(hù)氣體關(guān)閉。后關(guān)閉保護(hù)氣的原因是為了使氣體對(duì)試樣表面進(jìn)行充分保護(hù)。
[0011]本發(fā)明的有益效果是能獲得鈦合金表面超細(xì)納米化涂層。本發(fā)明有工藝簡(jiǎn)單方便，適用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]說明書附圖
圖1是待熔試樣的橫截面圖.圖中I為鈦合金，2為預(yù)置涂層，3為塑料容器，4為冰。
[0013]圖2是冰環(huán)境下鈦合金上Stellite 4-B4C_Zn激光熔覆層:(a)宏觀SEM像，(b)納米棒，(C)納米顆粒.圖3是冰環(huán)境中鈦合金上Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆層的顯微硬度分布.
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1:
將TA15合金切成長(zhǎng)度10 mm、寬度10 mm、厚度10 mm的長(zhǎng)方體。在混合粉末涂覆之前，清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。而后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)86%Stellite 4、10%B4C及4%Zn的混合粉末激光熔覆于其10 mmX 10 mm面上。
[0015]具體工藝步驟:
(I)激光熔覆之前，用240號(hào)砂紙打磨TA15鈦合金待激光處理表面，使其表面粗糙度達(dá)Ra 2.5 μ m ;然后用體積百分比15%硫酸水溶液對(duì)待激光處理表面進(jìn)行清洗，酸洗時(shí)間5?10 min ;酸洗后，用清水沖洗、用酒精將待熔工件表面擦拭干凈、吹干；
(2)用玻璃試管配置20毫升水玻璃溶液，該水玻璃溶液中的純水玻璃與水的體積
配置比例為1:3，即量取5毫升的純水玻璃和15毫升的水，在玻璃試管內(nèi)攪拌均勻；
(3)在天平上分別稱取Stellite4合金粉0.86 g、B4C粉0.1Og, Zn粉0.04g，將稱量好的粉末倒入小燒杯中，用模數(shù)2.2?3.7水玻璃溶液將此混合粉末均勻攪拌成糊狀?；追勰┏叽?0?200 μ m, B4C, Zn粉尺寸20?300 μ m ;
(4)將糊狀混合粉末均勻地涂敷于鈦合金表面，涂層厚度0.8 mm,自然風(fēng)干；
(5)將制備好的鈦合金試樣放置于小塑料容器中，小塑料容器中的水剛好沒過試樣，而后將小塑料容器放置到冰箱冷凍室中直至其中溶液完全凝固；
(6)用激光束對(duì)上述玻璃容器中凝固溶液中的試樣表面進(jìn)行激光熔覆處理，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護(hù)熔池及鏡筒；工藝參數(shù):激光功率800 W，掃描速度6mm/s,光斑直徑4 mm, IS氣保護(hù)氣壓0.4 MPa。
[0016](7)具體步驟:將塑料容器中凝固溶液中的試樣放置于正對(duì)著激光發(fā)射口位置，將保護(hù)氣口正對(duì)激光熔覆前的鈦合金涂層表面。位置調(diào)整好后，用激光器上平行調(diào)節(jié)試樣位置的扳手將試樣與激光器發(fā)射口拉開一定距離，然后盡快讓試樣向激光噴口以4 mm/s速度勻速運(yùn)動(dòng)。試樣將要運(yùn)動(dòng)到保護(hù)氣口時(shí)，提前開啟保護(hù)氣。當(dāng)試樣將要運(yùn)動(dòng)到激光發(fā)射口時(shí)，提前開啟激光發(fā)射器。隨后在保護(hù)氣保護(hù)下，試樣表面發(fā)生激光熔覆。激光熔覆反應(yīng)后，將激光關(guān)閉，再過一秒鐘后將保護(hù)氣關(guān)閉，后關(guān)閉保護(hù)氣的原因是為了使保護(hù)氣對(duì)試樣表面進(jìn)行充分保護(hù)。激光熔覆后，試樣表面硬度可達(dá)1450?1500 HV0.20
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種冰環(huán)境下使鈦合金表面激光熔覆涂層超細(xì)納米化的方法 (1)將一定質(zhì)量比例Stellite4、B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液(Na2O *nSi02)均勻調(diào)成糊狀；所述基底粉末為Stellite 4，基底粉末尺寸I?370 μ m, B4C及Zn粉末尺寸4?400 μ m ;后將糊狀混合粉末均勻地涂敷于TA15\TA2\TC4\TC17牌號(hào)鈦合金表面，涂層厚度0.2?2 mm,自然風(fēng)干； (2)將制備好的鈦合金試樣放置于預(yù)備好的小塑料容器中，小塑料容器中的水剛好沒過試樣，而后將小塑料容器放置于冰箱冷凍室中直至其中溶液完全凝固； (3)用激光束對(duì)上述預(yù)置涂層的鈦合金試樣表面進(jìn)行激光熔覆，激光束垂直掃描過程中側(cè)向同軸吹送氬氣保護(hù)熔池及鏡筒；工藝參數(shù):激光功率450?3500 W，掃描速度I?18mm/s,光斑直徑I?9 mm，IS氣保護(hù)氣壓0.1?1.2 MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)TA15\TA2\TC4\TC17鈦合金表面激光熔覆層的方法，其特征是，步驟(3)所述的混合粉末中，各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù):B4C3%-36%，Zn2%-9%，余量為Stellite 4。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在冰環(huán)境下使鈦合金表面激光熔覆涂層超細(xì)納米化方法，步驟如下：將一定質(zhì)量比例Stellite4與B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液均勻調(diào)成糊狀；所述Stellite？4尺寸1～370μm，B4C及Zn尺寸4～400μm。將糊狀混合粉末均勻涂敷于鈦合金表面，涂層厚度0.2～2mm，自然風(fēng)干。將制備好的試樣放置于塑料容器中，其中水剛好沒過試樣，后將容器放置于冷凍室中至溶液完全凝固。用激光束對(duì)上述試樣表面進(jìn)行熔覆，同時(shí)用氬氣保護(hù)。工藝參數(shù)：激光功率450～3500W，掃描速度1～18mm/s，保護(hù)氣壓0.1～1.2MPa。本發(fā)明可獲得硬度與表面形貌質(zhì)量顯著提高的鈦合金表面超細(xì)納米化涂層。
【IPC分類】C23C24-10
【公開號(hào)】CN104561996
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510022513
【發(fā)明人】李嘉寧, 張?jiān)? 石磊, 霍玉雙, 劉科高, 羅輝, 袁興棟, 劉鵬
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月17日