[发明专利]一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法

说明书

一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，首先对激光3D打印工艺窗口进行初步优化；利用有限元传热模型对初步优化参数下熔池三维温度场进行计算，获得熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池温度曲线峰值温度Tmax、温度曲线与液相线及固相线的截距之和的平均值t，计算熔池冷却阶段平均冷却速率ξ；根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×10³℃/s≤ξ≤2.8×10⁴℃/s原则对工艺参数进行优化，获得的优化工艺窗口：在优化工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得致密、高冶金质量的表面渗锆改性层，本发明能有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。

技术领域

本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法。

背景技术

钛合金因具有比强度高、耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天、机械及化工等领域。然而，由于钛合金表面硬度低、耐磨性差，限制了钛合金的进一步广泛应用。

钛合金表面渗锆可以有效提高表面耐磨性。如姜爱龙等人为提高TC11钛合金的表面硬度及耐磨性，采用双层辉光等离子渗金属技术对钛合金表面进行了渗锆处理。其结果表明，渗层厚度约为25μm，且渗锆层组织均匀，主要由α-Ti相组成。吴红艳等人采用该技术在TC4钛合金表面制备渗锆层，发现渗锆层的组织连续、均匀、致密，与基体结合良好，锆含量由表层向基体内部呈梯度分布；渗锆层的摩擦因数和比磨损率约为TC4钛合金基体的45.9%和13.6%，摩擦磨损性能明显提高。

激光具有高汇聚性、高能量密度及热影响区小等特点，被广泛应用于钛合金表面改性，如激光表面熔凝、激光熔覆及激光表面合金化等。近年来，钛合金表面激光渗锆的研究引起学者的关注，但与其它技术相比，其改性效果仍有待进一步提高，尤其是改性层的硬度及其耐磨性。究其原因，主要是激光渗锆过程中冶金缺陷及凝固组织需要严格控制，然而，现有方法针对上述问题仍缺乏有效手段。本发明提出方法可克服上述难题，能有效提高钛合金表面激光渗锆改性层的硬度及耐磨性。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法。

一种提高钛合金表面硬度与耐磨性的激光表面渗锆方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光器设置为连续激光输出模式，对激光渗锆工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口：激光光斑直径1.5~3.5mm，离焦量-2.0mm，激光峰值功率为600～900W，扫描速度为6～15mm/s，送粉量为3～7g/min；

步骤二：任意选取一组初步优化的工艺参数，利用有限元传热模型对该参数下熔池三维温度场进行计算，提取沉积层中部位置点所经历的温度变化曲线，即熔池定点温度变化曲线；分别提取熔池定点温度变化曲线的波峰温度Tmax，计算熔池定点温度变化曲线与钛合金液相线的截距t，再对熔池定点温度变化曲线右侧温度下降部分进行求导，计算出导数的平均值ξ，即获得熔池平均冷却速率ξ，其中Tmax、t及ξ的单位分别为℃、s及℃/s；

步骤三：根据1.45Tm≤Tmax≤1.7Tm，250ms≤t≤450ms，3.5×10³℃/s≤ξ≤2.8×10⁴℃/s原则对对激光光斑直径、激光功率、离焦量、扫描速度及送粉量等工艺参数进行优化，其中Tm为钛合金熔点；

步骤四：按上述各个参数的由小至大顺序重复步骤二至步骤三，直到完成所有工艺参数匹配，获得的优化工艺窗口：激光光斑直径2.0~3.5mm，激光功率为600～850W，离焦量-2.0mm，扫描速度为7～13mm/s，送粉量为4～7g/min；

步骤五：按上述工艺参数进行激光表面渗锆处理，获得高质量的表面渗锆改性层，有效提高钛合金表面硬度与耐磨性。

所述钛合金包括α钛合金、α+β钛合金及β钛合金。