[发明专利]一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法，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Cu改善Ti-Al或Fe-Al金属间化合物基TiB₂-C激光熔覆层组织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。激光熔覆技术使被修复工件表面的理化性能得到显著提高，极大地延长了工件的使用寿命。激光熔覆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，可使熔覆层与钛合金基体产生冶金结合，形成具有良好强韧性的熔覆层。通过激光熔覆技术可以修复各种失效零件，如航空发动机涡轮叶片等。 

TiC陶瓷硬质相具有极高的硬度与耐磨性能。而Ti-Al与Fe-Al金属间化合物同时具有高比强、高比模量、良好耐磨性能、抗蠕变性以及优良的耐疲劳性能。TiC在钛合金表面激光熔覆层产生可显著改善基体表面耐磨性能。在预置涂层中加入适量C，可使TiC强化相在激光熔覆层中产生。在TiC强化激光熔覆层中加入一定量的硼化物可抑制发达TiC枝状晶在熔覆层中的产生，改善激光熔覆层的韧性。激光熔覆过程中，熔池在钛合金基体表面产生，预置涂层中的C可与熔池中的Ti发生化学反应，极易生成过量TiC硬质相，影响激光熔覆层的表面形貌及耐磨性能；而C加入量过少，尽管可以防止过量TiC硬质相产生，却降低了熔覆层硬度与耐磨性能。因此，钛合金表面Ti-Al或Fe-Al金属间化合物基TiB₂-C激光熔覆层具有耐磨性能不稳定的缺陷，而本发明可以显著改善激光熔覆层的耐磨性及表面形貌。 

现有钛合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Al₃Ti，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆在钛合金的表面，而后进行激光熔覆。因Al₃Ti中已具有一定含量Ti，以Al₃Ti作为熔覆基底粉末的熔池易于生成富Ti熔池。因此，在激光熔覆过程中，Al₃Ti易于与通过稀释作用而进入熔池的Ti发生化学反应 生成Ti₃Al，形成Ti₃Al熔覆层，可提升钛合金表面的耐磨性能。Ti₃Al是一种以D019超点阵结构的α₂相为基的α₂+B两相金属间化合物，具有密度低、比强度高、弹性模量高以及优异的抗氧化性和耐腐蚀性能，在新一代的航空航天发动机结构中具有广泛的应用前景。相对于纯钛，Ti₃Al金属间化合物具有高弹性模量、良好的耐磨性能、低密度、高抗氧化性以及较好的力学性能等特性。另外，Fe₃Al具有良好的耐高温，抗氧化以及耐磨损等性能。在钛合金基体表面激光熔覆Al₃Ti，可在基体表面形成Ti₃Al金属间化合物层，该熔覆层可显著提升钛合金表面的显微硬度与耐磨性能。金相照片表明，Ti₃Al熔覆层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生，图1显示了Ti₃Al激光熔覆层的组织结构。 

采用HV-1000型显微硬度计测试激光熔覆层的硬度，载荷为200g，加载时间为5秒，自试样表层向内每隔0.16mm测定一次硬度值。采用MM200磨损试验机测定合金化层的抗磨性能。选用尺寸为φ40×12的YG6硬质合金磨轮，转速400r/min，载荷为2～8kg。 

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计算磨损体积。 

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