[发明专利]一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层

说明书

（一）技术领域

本发明属于钛合金表面强化处理技术，具体涉及一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层。

（二）背景技术

钛合金是近年来获得广泛应用的一种具有优秀综合性能的金属材料，目前多用于制作叶片、叶盘以及各类泵阀等高速过流部件。钛合金部件目前公认的有效强化手段主要为表面氮化处理。传统使用较多的是高温氮化技术，包括高温气体氮化、离子氮化等。但一般均存在氮化层厚度过薄（几微米到几十微米）、需要整体高温加热以及氮化过程中整体气氛要求严格等缺点，致使氮化效率不高，尤其是对大尺寸部件应用困难等。针对这一问题，随着激光技术的发展，人们又提出了激光气体氮化技术，该技术是一种局部强化技术，通过高温下激光熔池中的液态钛与周围气氛中的氮发生反应获得高硬度的含氮增强相实现强化。该技术具有不需要整体高温加热、硬化深度大（数十微米到数百微米）、仅需局部气氛保护等优点，因此引起了广泛的兴趣。但其参加反应的氮含量难以精确控制导致高的裂纹敏感性、强化层内存在不利于性能改善的粗大枝晶相（尺寸一般在数微米到数十微米）以及表面粗糙等问题，极大的限制了该技术在生产实践中的应用。因此目前工业上急需一种既能够发挥表面高硬度强化层高强度特性，又能够兼顾长期稳定工作的钛合金表面氮化强化技术。

针对传统激光氮化技术存在的问题，这里提出了一种新的、具有氮含量高度可控的钛合金表面激光纳米氮化处理技术。

（三）发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金表面的新型激光纳米氮化复合涂层，在提高钛合金表面硬度的同时能够兼顾较厚的强化层厚度，从而有利于长期稳定工作。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，其制备方法包括如下步骤：

（1）对钛合金表面待处理区域进行表面清洁处理；

（2）在步骤（1）处理后的钛合金表面待处理区域预置特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物，根据表面几何构形进行激光辐照，在激光作用过程中采用保护性气氛对激光作用区进行保护，从而在钛合金表面获得强化涂层；所述特殊增强材料粉末是下列三类物质的混和粉末：①Ti单质、②合金、③含氮化合物，所述的合金选自下列任意几种金属形成的合金：W、Mo、V、Al、Zr、Cr、Ni、Fe，所述的含氮化合物为在500～4000℃能够参加熔池反应并提供N元素的化合物；以特殊增强材料粉末和粘结剂的混合物质量为100%计，其中Ti的质量百分比在40～90％之间，合金的质量百分比在0～16%之间，含氮化合物的质量百分比在0.5～15%之间，并且粘结剂的质量百分比≦50%。

本发明所述的具有自生纳米颗粒增强的钛合金激光强化涂层，包括致密纳米尺度颗粒增强层和界面过渡层，均不含大尺度枝晶增强相，两涂层是在激光处理过程中一次性获得。激光在基体表面作用过程中作用区域表面发生熔化，Ti与含氮化合物进行溶解反应，并在后续凝固过程中通过自生反应析出，形成致密纳米尺度颗粒增强层，致密纳米尺度颗粒增强层具有粒径≤50nm的超细纳米颗粒密堆结构特征，显微观察呈织构状形态，其厚度根据处理工艺参数的不同一般>700μm；界面过渡层位于致密纳米尺度颗粒增强层和钛合金基体之间，厚度根据处理工艺参数的不同一般介于100-600μm之间，其与致密纳米尺度颗粒增强层之间的硬度过渡为梯度过渡，与钛合金基体之间的硬度过渡也为梯度过渡。

下面对技术方案做具体说明。

本发明步骤（1）中，所述的表面清洁处理即为常规的除油、除锈等清洁处理。