[发明专利]一种钛基复合粉末及其制备方法、原位增强钛基复合涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种钛基复合粉末及其制备方法、原位增强钛基复合涂层及其制备方法。本发明提供的钛基复合粉末的制备方法，包括以下步骤：a)将粉料、分散剂和粘结剂混合球磨，得到浆料；b)对所述浆料喷雾干燥，得到Ti‑B₄C‑M球形复合粉末；所述粉料包括以下质量比的组分：B₄C粉末8％～12％；金属M粉末3％～9％；稀土氧化物粉末0.5％～1.0％；Ti粉余量；所述金属M粉末选自Co粉、Al粉、Sn粉和Cu粉中的一种或几种。本发明通过上述特定的粉料搭配及制备手段，能够有效提升钛基复合涂层的硬度及耐磨性，降低稀释率，提高涂层制备效率和粉末利用率。

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，特别涉及一种钛基复合粉末及其制备方法、原位增强钛基复合涂层及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、耐蚀和抗氧化性能优异、生物兼容性好等优点，在航空航天、化工和生物医学等领域应用十分广泛。但纯钛或钛合金材料的硬度低、摩擦系数高、承载能力差、易产生粘着磨损失效，限制了其作为摩擦承载零件的应用。采用适当的表面工程技术和相应的材料体系对钛及其合金表面进行表面涂覆和表面改性处理，可以在不改变基体结构和性能的前提下赋予材料表面特有的力学性能，增强钛基材料承载能力，是解决钛合金材料疲劳失效和磨损失效问题的最有效途径，同时也是拓宽钛合金应用领域和实现损伤钛合金零件修复的重要技术手段。

当前钛基材料表面耐磨防护涂层材料主要包括钛合金以及钛基复合材料两类。其中，钛基复合涂层，特别是非连续增强钛基复合涂层，由于兼具硬质增强相和钛基质相的性能，相比于单一钛合金涂层具有更高的硬度和更好的耐磨性。考虑到冶金学相溶性问题，钛基复合涂层的基质相材料多为纯钛或钛合金，而增强相多为含Ti的陶瓷相，如TiC、TiB和TiN等。硬质相的添加方式主要有两种：一是外加颗粒法，即直接向纯钛或钛合金涂层内部添加现成的TiC、TiB或TiN颗粒；二是原位合成法，即利用原材料在涂层制备成形过程中产生的自蔓延高温合成反应原位形成增强相，得到TiC/Ti、TiB/Ti、TiN/Ti、(TiC+TiB)/Ti或(TiC+TiB+TiN)/Ti等原位钛基复合涂层。相比于外加颗粒法，原位合成法制备的钛基复合涂层具有增强相尺寸和分布可控、界面纯净、热稳定性好等突出优点，具备更好的力学性能。

目前常用的原位钛基复合涂层制备技术主要包括激光熔覆、等离子熔覆、感应熔覆、氩弧熔覆等，其中：(1)采用同步送粉方式的激光熔覆制备方法，制备的涂层质量好，稀释率低，但制备效率低，涂层裂纹倾向大；(2)采用同步送粉方式的等离子熔覆制备方法，制备效率高，但稀释率高，热影响大，基体易变形，后续加工余量大；(3)热喷涂制备方法，涂层制备效率高，但原位反应不完全，涂层与基体结合强度低(属于机械结合)，涂层氧化物含量高；(4)采用送丝方式的氩弧熔覆制备方法，制备效率高，但与等离子熔覆制备方法相似，热影响大，稀释率高，后续加工余量大；(5)采用铺粉或预置粘结剂粉末涂层的激光熔覆、等离子熔覆、感应熔覆和氩弧熔覆等制备方法，工艺复杂、涂层制备效率低，不适合复杂结构和大尺寸零件。

总体上，现有技术在原位合成钛基复合涂层的制备工艺和材料体系方面均存在如下需要解决的问题：一是制备工艺上，现有的激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂、氩弧熔覆、感应熔覆等技术手段，如前所述存在诸多不足。目前缺少一种适合大面积、高质量原位钛基复合涂层的高效率制备方法。二是涂层材料上，原位钛基复合涂层由涂层基质相和原位增强相两部分构成，现有技术更多集中在如何通过提高TiC、TiB或TiN等原位增强相的含量、分布和性能来提高涂层性能，很少考虑如何进一步改善涂层Ti基质相的性能；由于受增强相含量的限制以及Ti基质相本身力学性能的限制，进一步提高涂层硬度和耐磨性越来越难，缺少新的能够提高涂层性能的涂层材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛基复合粉末及其制备方法、原位增强钛基复合涂层及其制备方法。本发明提供的钛基复合粉末及原位增强钛基复合涂层能够有效提高涂层的硬度和耐磨性。

本发明提供了一种钛基复合粉末的制备方法，包括以下步骤：