[发明专利]一种具有球形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，具体涉及一种具有球形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大尺寸球形颗粒氮化处理技术。

(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大尺度球形颗粒氮化复合涂层，其中氮含量高度可控，耐磨性好，且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：

一种具有大尺寸球形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加工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，辐照过程中熔池温度需保持在1600～3300℃之间，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钛的球形氮化物粉末，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，所述的钛的球形氮化物粉末为球形或近球形的纯钛或钛合金粉末经过氮化处理获得的球形或近球形氮化物粉末，其粒径在10～200μm之间；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单质的质量百分比在40～90％之间，合金的质量百分比在≦16％，钛的球形氮化物粉末的质量百分比在0.5～30％之间，并且粘结剂的质量百分比≦50％。

本发明所述的具有球形颗粒增强的钛合金激光强化涂层，包括大尺度球形颗粒增强层和界面过渡层，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与经过预先氮化处理的大尺寸球形或近球形氮化物颗粒进行溶解反应，并在后续凝固过程中通过自生反应析出，形成大尺寸球形颗粒+致密的微、纳米尺度枝晶复合增强层，该颗粒增强层具有粒径在5～80μm之间的大尺度球形或近球形氮化物增强颗粒，显微观察呈纠缠态或弥散态分布，其厚度根据处理工艺参数的不同一般>400μm；界面过渡层位于大尺度球形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，其与大尺度球形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。