[发明专利]一种TiBw-Ti复合层及其激光原位制备方法

说明书

本发明提供了一种TiBw‑Ti复合层，以及该复合层的激光原位合成方法。具体地，该复合层以Ti粉与TiB₂粉为原料，在基板表面制备TiBw/Ti含量梯度变化的熔化层，然后使熔化层发生重熔，并通过感应加热与激光淬火协同作用的方式，在重熔层表面制备熔覆层。该熔覆层中α‑Ti与TiBw的界面结构为共格或半共格结合形式，可显著提高其强韧性、抗高温氧化、抗微动磨损和抗微动疲劳性能。该TiBw‑Ti复合层可广泛应用于以钛合金材料制造的航空发动机外壳辅助部件的改性层及修复层。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种TiBw-Ti复合层，以及采用激光原位技术制备该TiBw-Ti复合层的方法。

背景技术

TiBw作为一种增强相已广泛应用于钛基复合材料，按照增强相生成方式可分为外加法与原位反应自生法。由于TiBw粉末制备困难，目前在TiBw增强钛基复合材料方面，基本上采用原位反应自生法来制备。常用作B源的原料有ZrB₂、B₄C、BN、TiB₂、LaB₆及B粉等。而目前利用原位法生成TiBw增强钛基复合材料的主要制备技术有：粉末冶金法、机械合金化、自蔓延高温合成工艺、放热扩散法、熔炼铸造技术、激光熔覆技术以及各种各样的涂层技术。

而在传统的制备TiBw/Ti复合涂层工艺中，过去人们总是在追求制备TiBw在Ti基体中均匀分布的复合材料，尽管TiBw均匀分布的钛基复合材料比钛合金材料具有许多优异的性能，然而却很难达到理想的增强效果。近年来，大量研究发现，增强相均匀分布的金属基复合材料仅表现出有限的增强效果及较差的塑韧性水平，而不均匀几何形态、多尺度、非均匀成分分布及多层次耦合结构具有更高的强度、韧性及耐损伤等优势。同时，随着人们对自然界中很多天然生物材料认识的不断深入，发现具有优异综合力学性能和强韧性配合的天然生物材料往往具有比较复杂的结构要素特征，如不均匀几何形态及空间分布、多尺度、多相、非均匀成分分布、多层次耦合结构等。如高强韧性及高化学-力学稳定性的皱纹盘鲍贝壳珍珠母的组织结构具有多级化，即由多尺度颗粒组成的文石片与多层次的有机质薄层逐层堆垛而成的微结构构成；又如高耐压和高耐磨的龙虾螯结构具有多层次特征，分为上表皮、外表皮和内表皮,其外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成，自表及里存在明显的力学性能梯度。这些多层次多尺度的组织(或相)构筑为我们发展高强、高韧及耐损伤的TiBw/Ti复合材料提供了很有借鉴价值的线索。

目前，虽可通过热压烧结、熔炼及粉末冶金等技术可制备非均匀结构的TiBw/Ti复合材料，但所获得的钛基复合材料存在疏松多孔、增强相团聚等问题，还需要通过后续热变形与后续热处理。这不仅增加了多道工序造成成本提高，还易造成组织结构不稳定。(2)部分具备分层的Ti-TiBw/Ti复合材料可通过反应热压烧结和扩散连接等方法制备，但层间界面结合并非完全的冶金结合，界面结合强度仍有待进一步提高，而且层状表面主要为Ti基材料，不利于抗氧化、抗磨损的应用。(3)传统制备技术，还不能有效地成为钛合金表面改性及修复技术，即使能成功地在钛合金表面制备出非均匀分布的TiBw/Ti复合涂层，也可能较大程度地破坏钛合金母材的原有性能，如热压烧结、熔炼及粉末冶金技术。

而在众多的表面改性技术之中，激光表面改性技术因其获得的涂层组织致密、与基材呈良好冶金结合及对基材热影响区影响小等优势，逐渐开始成为钛合金表面改性及修复的重要工具。而且采用激光直接辐照熔覆材料，在热传递作用下，材料熔化方向是从外部沿内层逐渐推移，又由于基材的激冷作用，凝固方向是从底部向外层推移。这种熔化方向与凝固方向的相反特性很容易使得熔覆层自表及里组织结构表现出不均匀分布的特点。