[发明专利]大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种钛基复合涂层，具体为一种大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，以及这种复合涂层的制备方法。

背景技术

钛合金Ti6A+4V具有密度小、比强度高、耐蚀性优异、耐热性好等优点，在航天航空、汽车、船舶和化工设备制造等领域获得广泛应用。但是钛合金存在硬度低、耐磨性能差的缺点，这就直接影响到发动机的工作性能和使用寿命。因此对用于发动机上摩擦构件(如内衬套、活塞杆等)的钛合金进行适当的表面处理就显得尤为重要。

传统的钛合金表面改性技术主要有：表面渗碳、热喷涂、离子注入、等离子氮化、微弧氧化、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、燃烧合成法等。但这些方法制备的涂层薄或涂层与基体的结合力弱，难以满足在高接触应力条件下工作部件的使用要求。

激光熔覆原位合成技术是近年来新兴的表面强化技术，通过激光束作用于置于基底表面的合金粉末，使反应物间相互作用得到所期望的增强相，冷却凝固后就得到复合涂层，该层不仅与基体之间实现了冶金结合，而且厚度可在几十微米到几毫米之间变化，可有效解决上述传统表面改性技术的不足，是提高零件表面耐磨性能的有效手段。

但是目前这方面研究存在以下问题：

①所用粘结材料多为Ni基自熔合金。该合金中的多种元素彼此之间可形成硬质相，并且能和很多陶瓷颗粒发生相互作用，导致陶瓷相的溶解和重新析出，从而使陶瓷相的形态、种类以及分布发生很大变化。这些都导致试验重复性较差，容易出现一些质量问题；该合金和钛合金基体物理参数(如膨胀系数、杨氏模量、热导率等)差别较大，使得熔覆层快速凝固收缩时会受到基体的阻碍，从而导致热应力的产生，最终使表层开裂(宏观裂纹或微观裂纹)。

②预涂敷层的制备通常用刷涂法。具体过程为粉体加入一定量的粘结剂，经充分搅拌混合制成膏状物，用毛刷均匀涂覆于基体表面。这种方法存在如工问题：涂层的粘结剂在熔覆过程中受热分解，会产生一定数量的气体，在熔覆层的快速凝固过程中，容易滞留在涂层的内部形成气孔；粘结剂大多是有机物，受热分解气体容易污染基体表面，影响基体和涂层熔合。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层及其制备方法，以解决现有技术的上述问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层，按重量百分比计，其组分和含量如下：

反应物Ti       83-88％

反应物B₄C      5-7％

Al             2-4％

纳米TiC       1-3％

稀土氧化物    3-5％。

所述的稀土氧化物为Y₂O₃、La₂O₃或Nd₂O₃。

上述大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层及其制备方法，具体工艺步骤如下：

1)将Ti、B₄C、纳米TiC和稀土氧化物粉末混合物按上述组分和含量进行配料，通过球磨机均匀混合；

2)在Ti6Al4V基底上表面刷涂一层增加预涂覆层与基底间结合强度的粘结剂；

3)将步骤1)的混合粉末均匀置于涂有粘结剂的Ti6Al4V表面，然后通过5MPa的压力使混合粉末致密化和表面平整化，得到厚度约0.5-1.0mm的预涂覆层；

4)将步骤3)的预涂覆层用功率为2000-3500W，光斑直径为4-6mm的光源以3-8mm/s的扫描速度，40％的搭接率进行激光扫描，即得到大面积TiB-TiC增强钛基复合涂层。

所述粘结剂由聚乙烯醇和去离子水组成，在80-95℃温度区间将15-30克聚乙烯醇置于300-600毫升去离子水中，不断搅拌使其完全溶解得到。

本专利的创新之处在于：

一、利用Ti粉末作为粘结材料和反应材料。由于钛粉末和钛合金基体有较好的相容性，即相似的晶体结构，相近的晶格常数以及相近的热膨胀系数等，从而可降低裂纹形成趋势。

二、添加稀土氧化物抑制晶粒长大。稀土元素作为制备钛基复合材料的添加元素得到越来越多的关注。这是因为稀土元素可减少残渣与熔体的表面张力.促进熔体对流，使残渣迅速上浮到熔池表面，隔绝与大气的接触，防止氧化；还有利于提高结晶形核率，细化晶粒，提高熔覆层的强韧性。