[发明专利]一种高温部件表面改性材料及其熔覆层制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光表面改性领域，具体涉及高温部件表面改性材料及其熔覆层制备方法。

背景技术

钛合金作为一种新型的轻金属材料，具有密度小、比强度高、生物相容性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、医疗卫生及机械制造等领域，然而其不高的高温抗氧化性能严重限制了其广泛应用。钛合金的使用温度一般低于650℃，随着工作温度的升高，尤其当温度超过650℃时，钛合金将在空气环境中发生更快的氧化反应，使性能受到明显破坏，因此提高钛合金的高温抗氧化性能就成了亟待解决的重大课题。基体合金化和表面改性、涂层技术的发展为这一问题的解决提供了可能。基体合金化的方法尽管合金元素的加入在一定范围内提高了钛合金的抗氧化能力，然而由于是整体加入，所加的元素不仅浪费严重，且由于合金元素的加入影响了钛合金原来的一些力学性能，因此表面改性、涂层技术就成了提高钛合金的抗氧化能力的首选方法。通过在钛合金表面形成一层抗氧化涂层，合金的抗氧化能力由涂层来提供，而力学性能由钛合金基体来完成。因此，一方面大大地减少了抗氧化元素的用量，节省了资源；另一方面由于涂层的加入只对合金表面的化学成分有所改变，而对钛合金的力学性能基本没有影响。

目前几种常用的表面涂层技术有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、堆焊、热喷涂、电子束表面熔覆、离子注入、激光熔覆等，主要工艺都是在钛合金表面制备高温抗氧化涂层，通过隔绝钛合金与氧化性气氛的直接接触及增加钛合金氧化阻力来提高其抗氧化性能。

物理气相沉积（PVD）存在的缺陷有：蒸镀化合物时由于热分解现象难以控制组份比；低蒸汽压物质难以成膜；需要溅射靶，靶材需要精制，且靶材利用率低。

化学气相沉积（CVD）存在的缺陷有：膜-基结合力弱，镀膜不耐磨，并有方向性；杂质难以去除；成分难以控制；参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，需要防护措施；对基片进行局部表面镀膜时很困难。

堆焊存在的缺陷有：热输入大；残余应力大；基材对涂层的稀释率大；后续处理工序复杂。

热喷涂存在的缺陷有：喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；基体表面制备要求高；工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。

电子束表面熔覆存在的缺陷有：空气对电子束强烈散射和吸收，平均自由程很短；电子束表面熔覆必须在真空条件下进行，工件尺寸受到限制；电子束表面熔覆设备复杂、成本高。

离子注入存在的缺陷有：高能离子注入改变晶格结构；设备复杂，成本高昂，目前主要用于关键部件；离子注入层较薄，限制了其应用范围；不能用来处理具有复杂内腔表面的零件；离子注入表面强化要在真空室中处理，零部件尺寸受到真空室尺寸限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温部件表面改性材料，其由Ti、Al、Hf、Ta和W五种元素粉末组成，各组分及摩尔百分比为Ti粉 35~40%、Al粉 35~40%、Hf粉6~15%、Ta粉4~8 %、W粉3~7%。

所述Ti粉、Al粉、Hf 粉、Ta粉和W粉的平均粒径均为75μm~85μm。

本发明的另一目的在于提供高温部件表面改性材料熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

（1）对基体材料进行预处理：去除钛合金表面氧化皮、油污及杂质，干燥后备用；

（2）将各组分按比例称量后，通过真空球磨方式使其混合均匀，球磨参数为球磨转速为45~60r/min，球料比为15:1~20:1，球磨时间为2h~2.5h；

（3）将步骤（2）球磨后得到的混合粉末材料均匀压制在步骤（1）处理后的基体材料表面，形成预制层，预制层厚度为1.0~1.5mm，干燥后通过激光熔覆即可获得熔覆层，进行激光熔覆时的工艺参数为激光功率3.0~4.0kW，扫描速度350~450mm/min，光斑直径3~5mm，离焦量20mm，保护气体采用氩气，气体流量6~10L/min。

所述步骤（1）钛合金材料为TC4(Ti-6Al-4V)。

本发明有益效果：

（1）本发明所得到高温部件表面改性材料熔覆层，组织结构均匀稳定，具有良好的高温稳定性，并且获得的熔覆层具有高硬度、高耐摩擦磨损性能、高耐高温氧化性能，因此，该表面改性材料在高温部件上具有良好的应用前景；

（2）本发明通过激光熔覆工艺得到成型良好的熔覆层，并且应用激光熔覆技术对于粉末的选择范围很宽广，在很大的范围内进行各组分的配制，从而可以得到特定性能的熔覆层；