[发明专利]一种冰环境下使钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化的方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种在冰环境下使钛合金基材表面Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂层的显微硬度极大提高，并实现基材表面超细纳米化的方法。

背景技术

钛合金具有高比模量、高比强以及优异耐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天等领域。近年来，随着纳米材料的飞速发展，纳米技术开始应用于表面工程，形成了“纳米表面工程”新领域，并作为一种特殊应用技术受到国内外军方的高度重视。激光加工可以针对钛合金的不同服役条件，利用激光束加热温度高及冷却速度快的特点在钛合金表面制备纳米晶增强复合涂层，可将纳米材料优异的耐磨性与金属材料的高塑性、高韧性有机结合起来，可大幅度提高钛合金的使用寿命。Stellite合金，即通常所说的CoCrW(Mo)合金或钴基合金，是一种耐磨损和抗高温氧化的硬质合金。将适量Stellite加入到激光熔覆涂层中，涂层将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨及耐热等特点。Zn对Stellite基激光熔覆涂层的纳米化过程，是利用Zn在激光熔池中原位生成诸如Co5Zn21及CoCr等纳米颗粒来极大抑制其它晶化相长大过程，也是大量纳米晶生成的过程。且Co5Zn21纳米晶在高温熔池中具有极高的扩散率，易引发晶格畸变，使激光熔覆涂层发生非晶化转变。

基于上述原因，本发明提出了一种能够降低生产成本、增强钛合金表面硬度的材料表面超细纳米化处理的方法。将一定比例的Stellite 4-B₄C-Zn混合粉末在冰环境下激光熔覆于钛合金表面。现有钛合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Stellite 4，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆在钛合金的表面，而后进行激光熔覆。将制备好的钛合金试样放置于塑料容器中，塑料容器中的水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置到冰箱冷冻室中直至其中的溶液完全凝固，凝固后整个实验待熔试样的横截面见图1。

因基材对激光熔池的稀释作用，大量Ti由基材进入激光熔池中，可与激光熔池中的诸多化学元素发生化学反应，生成诸如TiB₂、TiC等可显著改善激光熔覆涂层耐磨性能的化合物。扫描电镜照片表明，Stellite 4-B₄C-Zn激光熔覆涂层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生（见图2a），且有大量纳米棒（见图2b）及纳米颗粒生成（见图2c）。在冰环境中进行激光表面处理的目的是使超细纳米颗粒及纳米棒存在，从而大幅度提升激光涂层的显微硬度。例如，将表面涂有Stellite 4-B₄C-Zn预置涂层的钛合金试样在冰环境中进行激光表面处理，冰使激光熔池的存在时间及最高温度明显下降，这将在很大程度抑制粗大TiB₂块状析出物的产生，有利于TiB纳米棒的生成；另一方面，激光熔池存在时间明显下降将使小颗粒析出相的生长时间明显缩短，有利于超细纳米晶的形成。

图3 显示了冰环境中产生的Stellite 4-B₄C-Zn激光熔覆涂层的显微硬度分布，可达1450～1500 HV_0.2，较未在冰环境下产生的Stellite 4-B₄C-Zn激光熔覆涂层提高了将近300 HV_0.2。

发明内容

本发明针对钛合金表面Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂层组织结构过于粗大，通过冰环境的加入使该熔覆涂层超细纳米化，从而改善熔覆涂层的表面形貌及提升显微硬度。该项技术可应用于金属零部件制造及修复等诸多方面。

发明具体步骤：

（1）将一定质量比例的Stellite 4与B₄C、Zn混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末Stellite 4尺寸1～370 μm，B₄C及Zn粉末尺寸4～400 μm；

（2）将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层厚度0.3～2 mm，自然风干；

（3）将制备好的钛合金试样放置在如图3所示的小塑料容器中，其中水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置于冰箱冷冻室中直至其中溶液完全凝固；

（3）用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数：激光功率450～3500 W， 扫描速度1～18 mm/s，光斑直径1～9 mm，氩气保护气压0.1～1.2 MPa。