[发明专利]一种钛合金级配粉激光熔覆层的制备方法及具有该熔覆层的钛合金

说明书

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种钛合金级配粉制备激光熔覆层的方法及具有该熔覆层的钛合金。

背景技术

钛合金具有比强度高，抗腐蚀耐热性优异，生物兼容性好等优点，在航天航空、石油化工、生物医学工程等方面都有广泛的应用。但是其硬度、摩擦系数较低，难以自润滑，所以其耐磨性能并不理想。随着现代科技的发展，要求某些相对运动的零部件能长时间工作在高温、高真空、强腐蚀及强辐射等特殊工况下工作。在这样苛刻的条件下，常规外加润滑油和润滑脂不能满足其要求。这就要求零部件本身就有较好的耐磨性和优异的自润滑性能，因此钛合金的这些缺点在一定程度上限制了其应用。

激光熔覆技术作为一项新型材料表面改性技术在近些年得到了极大的发展。它通过在材料表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束，使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的增材熔覆层，从而显著改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。但是，目前还没有将此项新技术应用于钛合金的报导。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的一个目的是提供一种能够显著改善钛合金表面性能的钛合金级配粉激光熔覆层的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种具有上述钛合金级配粉激光熔覆层的钛合金。

为此，本发明的技术方案如下：

一种钛合金级配粉激光熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

1)将钛合金基材进行预处理，除去表面的氧化皮、油污和锈迹；

2)根据需要，将粒径为5～140μm的70Ni包B₄C粉末进行筛分分级；

3)将分级后的不同粒度尺寸级别的粉末进行混合配比，得到70Ni包B₄C级配粉；

4)按比例将所述70Ni包B₄C级配粉和TC4粉末混合均匀，制得覆层混合涂层级配粉；

5)在钛合金基材表面预置所述覆层混合涂层级配粉，采用3mm×12mm、3mm×24mm、6mm×12mm或6mm×24mm的矩形宽光斑，在功率为2～8kw的情况下，以5～20mm/s的扫描速度，在氩气保护环境下，对预置好覆层混合涂层级配粉的试块进行激光熔覆，得到钛合金级配粉激光熔覆层。

其中：

步骤2)所述的70Ni包B₄C粉末粒径d的分级范围分别为：d≤23μm；23μm<d≤45μm；45μm<d≤75μm；75μm<d≤96μm；d>96μm五个级别。

步骤3)中进行混合配比时，所选择的粉末为所述五个级别中的任意一种，或者是其中任意几种以任意比的混合物。

步骤4)中进行混合时，70Ni包B₄C级配粉的质量分数为5％～30％，余量为TC4粉末。

步骤5)中，在钛合金基材表面预置所述覆层混合涂层级配粉的方法为：采用有机粘结剂将覆层混合涂层级配粉预置在钛合金基材表面上，预置厚度为1～3mm，然后放入干燥箱中，在120～160℃下干燥2～4小时。

一种钛合金，其具有上述钛合金级配粉激光熔覆层。

本发明具有以下有益效果：

该方法采用激光熔覆技术，利用高能密度的激光束，使预置的TC4+Ni包B₄C级配粉混合粉末涂层与TC4基材表面薄层一起熔凝，形成一种性能可控的具有不同于基材表面性质的表面熔覆层。该方法也可拓展应用于其他不同种类级配粉和不同配比的方案。利用该方法能够获得显著区别于基材的，具有高硬度、高耐磨、自润滑特性的熔覆层，满足对钛合金结构件、零部件的特殊性能要求，从而拓展了钛合金的使用范围。具体体现在以下方面：

步骤2)中，采用镍包形式的碳化硼(B₄C)，在镍包的情况下，可以抑制B₄C的反应，保留熔覆层中B₄C相的残留。B₄C具有硬度高、密度低、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定，并且硼、碳是强有效的固溶强化元素，碳化硼可显著优化钛基合金覆层的组织与性能。

步骤2)中，镍包碳化硼中的硼元素在熔覆过程中具有强烈的脱氧造渣功能，优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物一起熔融生成低熔点的硼酸盐并熔覆在熔池表面，能够防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层性能。