[发明专利]一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，属于金属材料的表面改性领域。

背景技术

钛及钛合金因具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能，在航空、航天、舰艇、兵器、石油、化工、医疗等领域得到应用。但由于钛合金存在本身硬度低、耐磨性差、摩擦系数大且不稳定等缺点限制了更广泛的应用。纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金在硬度一般低于350HV。针对钛合金耐磨性差的缺点，发展了多种钛合金的表面改性技术。早期的研究主要包括电镀、热扩散、热氧化、PVD、CVD等传统表面技术。近年来，随着新技术的不断出现，微弧氧化、等离子喷涂、超音速喷涂、离子注入、电子束沉积、激光氮化、双层辉光离子渗等现代表面技术，以及结合多种表面技术和膜层结构设计的新技术均应用到钛合金表面改性的研究中。这些技术在改善钛合金的摩擦磨损性能方面取得了显著效果，但是，将这些表面技术在应用到承受冲击振动载荷、热疲劳环境时，普遍存在着或涂覆层薄，或抗冲击性能差，或与基体材料结合弱等缺点，需要开发在钛合金表面制备耐磨性高、与基体结合好、高适配的表面改性层。

激光熔覆技术通过在基体材料表面熔化沉积一层外加的材料，同时基体表面一薄层发生熔化，实现熔覆层与基体的冶金结合，熔覆层的组织和性能可通过熔覆材料的选择和工艺的调整来进行控制。激光熔覆与其它工艺技术相比具有如下特点和优势：1.光斑尺寸可以在较宽的范围进行调节(0.5mm至几个mm)，可以实现高精度的熔覆沉积，材料利用率高；2.熔覆层的厚度可以在0.1mm至2-3mm之间变化，并可通过多层熔覆实现厚涂层的制备；3.能量集中(达10⁵～10⁸W/cm²)，对基体的热输入小，熔覆层稀释率低，对基体的热影响和变形小；4.激光熔覆涂层与基体为完全冶金结合，结合强度高；5.熔覆过程是一快速凝固过程(10⁴～10⁶℃/s)，熔覆层的组织完全致密、无气孔，组织细小，具有高的硬度；6.激光熔覆的自动化程度高。

目前钛合金表面激光熔覆的材料体系主要采用预先铺置SiC、TiC、NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co及不同比例的Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si元素粉以及同步输送的WC等。预先铺粉方法一般只适合在材料表面熔覆一层材料，熔覆层厚度受到限制，粉末如铺置太厚，熔覆时很难保证涂层与基体的冶金结合和良好的涂层性能；直接在钛合金表面激光熔覆SiC、TiC及WC所形成的涂层较脆、易产生裂纹；激光熔覆NiCrBSi、NiCrBSi+TiC、Ti-Co、Cr-Ni-Si、Ti-Ni-Si等会在涂层中生成较大量的脆性金属间化合物相，涂层韧性较差；这些熔覆涂层在提高材料的表面硬度和耐磨性方面具有较好的作用，但由于涂层韧性较低，与基体材料的热物理性能相差较大，不能满足飞机发动机零件所承受的冲击振动载荷及热疲劳条件下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面具有很好的抗冲击载荷及热疲劳性能，并且与钛合金基体适配性高的耐磨钛基复合材料的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案达到的：

一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法，其特征在于：通过激光熔覆，在激光熔池中发生原位反应，在钛合金表面获得原位析出相增强的钛基复合材料熔覆层。

一种优选技术方案，其特征在于：所述原位反应是钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在激光熔池中反应生成TiC或TiB增强相。

一种优选技术方案，其特征在于：所述激光熔覆是用钛合金粉末颗粒与TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒的混合粉末，混合粉末中TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒在总颗粒中所占的体积比为3.4-30％。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒的成分与待熔覆基体材料的成分一致或不一致。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钛合金粉末颗粒为球形，粒度为45～150μm；所述TiB₂、Cr₃C₂、TiC或B₄C颗粒为多角形，粒度为38～106μm。