[发明专利]一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层及其制备方法

说明书

本发明提出了一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层，以钛合金Ti‑6Al‑4V为基体材料，以铝粉、铌粉和硅粉组成的混合粉末作为合金化粉末材料预置在钛合金Ti‑6Al‑4V基体材料表面，采用激光表面合金化技术制备得到，其中：铝粉：纯度≥99.0％，质量分数，粒径50‑100μm；铌粉：纯度≥99.5％，质量分数，粒径50‑100μm；硅粉：纯度≥99.5％，质量分数，粒径50‑100μm；合金化粉末材料的配比：铝粉100重量份，铌粉10～20重量份，硅粉10～20重量份。本发明的合金化层成分配比简单，表现出很高的硬度和良好的抗高温摩擦磨损性能，以及优异的长期抗高温氧化性。

技术领域

本发明涉及材料表面工程技术，特别涉及一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层，还涉及一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层制备方法。

背景技术

钛合金因具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好及中温性能稳定等一系列特征，广泛应用于航空航天、化工、生物医疗、汽车、电子、船舶工业等领域，特别是在航空航天领域，由于其密度低，是具有广泛应用前景的轻型高温材料之一。然而，传统钛合金的最高使用温度不超过350℃，当超过其使用温度极限时，氧化及氧脆问题将严重影响钛合金的应用。

由于氧化破坏主要限于工件的外层区域，而力学性能是由工件的整个截面所决定的，因而表面改性处理是钛合金同时获得最佳力学性能和抗氧化性能的有效的方式。提高钛及钛合金抗高温氧化性能的表面改性技术包括等离子注入、热扩渗、等离子喷涂、电弧离子镀等，这些技术均可以在钛合金表面制备高温防护涂层，但这些技术存在制备的涂层薄、制备周期长、膜基结合力差或结构疏松等缺点，无法适应长期高温以及高温磨损环境工况下使用。

激光表面合金化是表面改性处理的一种，是指利用高能量激光束辐照材料表面，将外加的合金化元素与待处理材料表面一起熔化形成激光熔池，合金元素与基体材料元素发生化学冶金反应，然后迅速凝固，从而在待处理材料表面形成合金化层的表面改性方式。激光表面合金化处理具有合金化层与基体呈典型的冶金结合，厚度大、成分和组织可控，热影响区小以及工件变形小等优点，可以克服上述表面处理存在的问题，因而广泛应用于钛合金的表面改性处理。

目前，广泛应用于钛合金表面抗高温氧化的涂层体系包括Ti-Al涂层、MCrAlY热障涂层、氧化物涂层、搪瓷涂层以及氮化物涂层等，这些涂层可以在很大程度上为钛合金提供有效的高温防护。

但上述涂层也存在如下的缺点：单一的Ti-Al涂层脆性大、易产生贯穿性裂纹；MCrAlY涂层和钛合金基体的成分差异较大，在氧化过程中涂层和基体间互扩散现象严重，导致脆性相和扩散空洞的出现，从而降低涂层的热稳定性；氧化物涂层、搪瓷涂层以及氮化物涂层，与基体间的热膨胀系数相差较大，因此在高温条件下容易产生裂纹，甚至是发生脱落。Ti-Al-X(X＝Si，Nb或Cr等)系多元合金化层与钛合金成分相近，与基体间相容性好，热膨胀系数差异小以及优异的抗高温氧化性能，是目前研究最为广泛的钛合金表面高温合金化层之一。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层，以钛合金Ti-6Al-4V为基体材料，以铝粉、铌粉和硅粉组成的混合粉末作为合金化粉末材料预置在钛合金Ti-6Al-4V基体材料表面，采用激光表面合金化技术制备得到，其中：

铝粉：纯度≥99.0％，质量分数，粒径50-100μm；

铌粉：纯度≥99.5％，质量分数，粒径50-100μm；

硅粉：纯度≥99.5％，质量分数，粒径50-100μm；

合金化粉末材料的配比：铝粉100重量份，铌粉10～20重量份，硅粉10～20重量份。