[发明专利]一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面纳米涂层，具体地说，是一种金属基体表面的Fe_nW_nC-Co(Y)/Ti合金纳米涂层，采用基于机械激活与激光熔覆复合工艺，可用于钛合金或铝合金表面。

背景技术

飞机的关键零部件，如发动机叶片等，在服役过程中发生疲劳、磨损等破坏，严重影响飞机的使用性能。而飞机的零部件发生局部损伤或失效后，主体部分还具有很大的承载能力。在航空工业中，无论是民用飞机还是军用飞机，关键零部件的修复和再制造都是延长飞机服役寿命、节能降耗的关键问题。目前国内外对于飞机损伤的关键零部件的修复和再制造主要采用激光熔覆技术和激光冲击强化技术。激光熔覆不仅能够对超过极限尺寸的或者有较大裂纹的关键零部件进行修复、恢复尺寸，也能够通过熔覆合金体系设计恢复疲劳强度、甚至提高疲劳强度。

在各种熔覆合金中，W-C-M(M表示Co、Fe、Ni)合金体系由于具有良好的高温强度、耐磨性以及较低的热膨胀系数，越来越受到关注。但在表面熔覆等非平衡条件下，WC不稳定，极易发生WC→W_nC→W_mM_kC的转变，该非平衡条件下的转变，会形成大量的非平衡中间相。随着飞机零部件的服役，这种不稳定的中间相将继续在内部应力和外部热、力的综合作用下进一步发生转变，而这种变化将带来合金表面涂层、特别是界面区域热胀系数、物理化学性质的差异的增大而产生新的应力及表面裂纹，从而导致其断裂和失效。在非平衡条件下生成的中间产物，如熔覆过程中，涂层与基体界面形成的η相是在WC基体上，由于缺碳以及过渡元素向基体扩散而形成的，是在非平衡条件下被动形成的脆硬缺碳(低碳)相，该相不仅形成于涂层制备过程中，也可能析出于高温热处理或高温运行过程，块状η相会降低焊接接头的弯曲强度、冲击韧性和抗晶间腐蚀能力。

现有的研究证实在WC-M体系中，成分η相的形成有很大的影响，通过加入过量C的方式一定程度上可以抑制η相的形成。通过增加粘结相中同C没有亲和力的元素与同C有亲和力的元素比例或提高C含量一定程度上能够抑制η相中间产物并有效控制合成进程。除了C元素，也发现稀土的加入也有助于抑制η相的形成，在较高的温度下，η相发生的特定温度区间以及成分比例，提高溶解温度能减少η相的形成；纳米尺度的熔覆合金能够提高成形和界面结合性能，但也有促进中间η相形成的趋势，研究表明：改变成分仅能抑制η相中间产物，但是很难获得单一的稳定相，温度是另一个重要的因素。根据W₂C/η相体系的演变思路，除了成分、尺度和温度外，改变界面η相形态也能改善材料的性能，研究表明控制η相在高能晶粒边界界面呈胞状析出、形核，能显著提高材料的高温韧性。

目前的研究中，已经提出了平衡条件下通过调节C、稀土、Cr₃C₂、贫C/贫Co、M/C等成分手段控制界面η相的形成及形态；或者通过控制合成温度抑制η相等中间相的形成，实验证明是有效的，基于此背景，本专利提出了通过成分设计(调节C、稀土及平衡态的Fe_nW_nC)、尺度控制(纳米晶)以及温度控制(激光诱导)等多种手段实现高质量的钛合金表面纳米涂层，从而获得优异的飞机关键零部件表面涂层，提升飞机关键零部件的抗疲劳再制造水平。

经对现有技术的文献检索发现，Vreeling J A等在杂志Acta Materialia，2002，50：4913～4924发表的论文“Ti-6Al-4Vstrengthened by laser melt injection of WC_p particles”中，提出利用激光处理的方法实现钛合金表面的修复，在熔覆金属与钛合金的熔合界面，虽然通过WC与Ti的冶金反应生成W和TiC而促进了界面的熔合，但也生成了中间物W₂C，这些非平衡产物在钛合金服役过程中容易产生表面裂纹，引起表面抗疲劳能力下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，开发了一种Fe_nW_nC-Co(Y)合金纳米涂层。

本发明还提供了上述合金纳米涂层的制备方法。

本发明还提供了上述合金纳米涂层的应用。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：