Ni/TiNi雙相金屬化合物基復(fù)合涂層及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雙相金屬化合物基復(fù)合涂層的制備方法，尤其是涉及一種原位合成 TiB2/TiC增強Ti 2Ni/TiNi雙相金屬化合物基復(fù)合涂層及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性優(yōu)異等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、藥 療等工業(yè)領(lǐng)域。但由于其較低的表面硬度與耐磨性，使其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。因此，提高鈦 合金表面的硬度與耐磨性成為研究熱點。利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備一層高硬度 且耐磨的復(fù)合涂層能夠有效解決上述不足。
[0003] 激光熔覆技術(shù)具有以下突出優(yōu)勢：
[0004] (1)激光束的能量密度非常高，與材料的相互作用時間極短，因此使得基體材料熱 影響區(qū)及熱變形率均比較小。
[0005] (2)熔覆過程對基材的稀釋作用比較小，可以保證基體原材料和涂層的較高性能 的匹配。
[0006] (3)由于稀釋作用小，激光熔覆層的組成成分與性能主要取決于涂覆材料自身的 成分和性能。因此，熔覆材料的選擇范圍非常之廣。
[0007] (4)激光作用過程為急冷急熱過程，所獲得組織致密細(xì)小，微觀缺陷較少，結(jié)合強 度高，性能優(yōu)異。
[0008] (5)激光熔覆涂層的尺寸大小和位置可以通過自動化精確控制，有較高的性價比。 通過設(shè)計專門的導(dǎo)光系統(tǒng)，可對深孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位進行處理，能夠使得熔覆層滿 足不同的尺寸要求。
[0009] (6)激光熔覆過程無輻射，無污染，勞動條件得到較大改善。
[0010] 目前，通過激光熔覆技術(shù)原位合成陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合涂層來提高鈦合金耐 磨性引起了人們廣泛的關(guān)注，但是還存在如下問題有待解決：
[0011] (1)最常用的傳統(tǒng)粘結(jié)法制備的預(yù)置涂層存在有機粘結(jié)劑大量使用、涂層厚度難 以精確控制、致密度低的不足。
[0012] 傳統(tǒng)的粘結(jié)法制備預(yù)置涂層的工藝過程如下：首先將熔覆粉末和有機粘結(jié)劑混合 成漿料，然后將漿料涂覆于基底表面，干燥后就得到了可用于激光熔覆的預(yù)置涂層。根據(jù)這 個過程可以看到，要使用大量的有機粘結(jié)劑。粘結(jié)劑在隨后的高溫激光熔覆過程中會分解 為氣體，由于激光熔覆快速加熱和快速冷卻的特點，導(dǎo)致這些氣體來不及逃逸出熔池而殘 留在涂層內(nèi)部形成缺陷。從而大大降低涂層的組織重復(fù)性和機械性能。另外漿料通常用刷 子涂覆在基底表面，涂層的厚度不均勻且厚度難易控制。這導(dǎo)致激光熔覆后不同區(qū)域存在 組織和成分偏析。最后漿料干燥后形成的預(yù)置涂層致密度較低，內(nèi)部存在大量微小氣孔。這 也會降低涂層組織的重復(fù)性和機械性能。
[0013] (2)涂層硬度、開裂敏感性和耐磨性三者間的關(guān)系沒有更好的協(xié)調(diào)處理。
[0014]目前常常通過陶瓷顆粒的添加來提高涂層的硬度，進而提高其在磨損過程中的抗 切削能力。陶瓷顆粒添加越多，硬度越高，抗切削能力越強。從短時磨損結(jié)果看，其耐磨性 提高了。但是硬度的提高往往伴隨著開裂敏感性的下降，導(dǎo)致涂層在磨損過程中抗脆性剝 落能力下降。這就使得裂紋極易萌生、擴展、貫穿，最終導(dǎo)致涂層局部從其表面剝落下來，反 而會削弱其耐磨性能。從長時磨損結(jié)果看，開裂敏感性的下降會降低其磨損性能。這三者 間的關(guān)聯(lián)如不能很好協(xié)調(diào)，達到最佳配合，就不能夠使涂層獲得最佳的耐磨性能。
[0015] 基于此，本發(fā)明提出通過一種改進的預(yù)置涂層制備方法來解決目前粘結(jié)法存在的 上述不足，獲得厚度可控、致密度高且含有極少量有機粘結(jié)劑的預(yù)置涂層，進而獲得厚度可 控、組織均勻、缺陷少且重復(fù)性高的復(fù)合涂層。在此基礎(chǔ)上通過熔覆材料組分的優(yōu)化組合來 獲得涂層硬度、開裂敏感性的最佳組合，從而獲得最為優(yōu)異的耐磨性能的涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服目前傳統(tǒng)粘結(jié)劑法制備預(yù)置涂層中所存在 的缺陷，提出一種操作簡易、厚度可控、粘結(jié)劑用量少的改進的預(yù)置涂層法。并且通過熔覆 材料組分的設(shè)計，獲得一種硬度與開裂敏感性最佳組合的復(fù)合涂層。
[0017] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0018] -種原位合成TiB2/TiC增強Ti2Ni/TiNi雙相金屬化合物基復(fù)合涂層的制備方法， 包括以下步驟：
[0019] (1)將鎳基合金粉末與碳化物陶瓷粉末充分?jǐn)嚢柩心ィ纬删鶆虻幕旌戏勰?br>[0020] (2)在鈦合金Ti6A14V基底上形成一層致密的預(yù)制涂層，過程如下：
[0021] (2. 1)在鈦合金Ti6A14V表面刷一層粘結(jié)劑，并將鈦合金放入模具中，然后將步驟 (1)所得混合粉末放入模具中，控制厚度，得到預(yù)置涂層；
[0022] (2. 2)將預(yù)置涂層在壓片機下進行加壓，壓力為20~40MPa，保持時間為1~ 5min，進一步提高其致密度；
[0023] (3)對上述預(yù)置涂層進行激光熔覆，即在鈦合金表面原位合成TiB 2/TiC增強 Ti2Ni/TiNi雙相金屬化合物基復(fù)合涂層。
[0024] 步驟（1)中鎳基合金粉末（表示為NiCCrBSi)與碳化物陶瓷粉末的重量比為 (30-90):(5-30)〇
[0025] 所述的鎳基合金粉末（表示為NiCCrBSi)含有以下重量百分比的元素：Ni: 75wt% ? C ：lwt%? Cr ：16wt%? B ：3. 5wt%? Si ：4. 5wt%〇
[0026] 所述的碳化物陶瓷粉末為B4C。
[0027] 所述的粘結(jié)劑為5wt. %聚乙稀醇。
[0028] 步驟⑵中控制預(yù)置涂層的厚度約為0.8mm。
[0029] 步驟（3)中，進行激光熔覆的方法為：用功率為2~5KW、光斑直徑為2~8mm的 光源，以5~25mm/s的掃描速度進行激光熔覆。
[0030] 本發(fā)明合理設(shè)計了熔覆材料的組分，通過改進的預(yù)置涂層制備技術(shù)在鈦合金表面 預(yù)置致密涂層，并采用激光熔覆原位合成技術(shù)在合適的激光工藝參數(shù)下制備了硬度與開裂 敏感性最佳組合的復(fù)合涂層。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0032] -、采用了改進的預(yù)置涂層法，減少了粘結(jié)劑的使用量，能夠精確控制預(yù)置涂層厚 度，并且得到一層致密的預(yù)置涂層。該預(yù)置涂層在激光熔覆技術(shù)下能夠獲得的涂層具有較 少的氣孔與裂紋，大大提高了涂層組織的重復(fù)性和機械性能。此預(yù)置涂層法根據(jù)實際經(jīng)驗 自行研究得到，國內(nèi)外研究尚未報道過該預(yù)置涂層方法。
[0033] 二、設(shè)計一定比例的鎳基合金粉末與碳化物陶瓷粉末作為熔覆材料。該熔覆材料 在激光熔覆過程中能夠與鈦合金基底發(fā)生良好的原位合成反應(yīng)，可獲得組織均勻、硬度高、 具有較低的開裂敏感性的優(yōu)異耐磨的復(fù)合涂層。
[0034] 三、涂層中主要增強相為1182與TiGTiBs被認(rèn)為是鈦基復(fù)合材料最好的增強相之 一，其與TiB相同在a-Ti和P-Ti中有著很好的穩(wěn)定性，與基體的熱膨脹系數(shù)相差很小且 在基體和增強相之間沒有反應(yīng)產(chǎn)物生成。而TiC作為鈦基復(fù)合材料增強相是因為TiC與鈦 合金具有相近的泊松比，并且其彈性模量為440GPa，約為鈦合金的4倍，密度為4. 99g/cm3， 比鈦合金（4. 5g/cm3)略高。原位自生增強相具有十分突出的優(yōu)點：（1)增強體與基體材料 具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境中服役時不易破壞；（2)界面潔凈，結(jié)合牢固；(3)原 位自生的增強體尺寸更加細(xì)小，分布均勻，具有優(yōu)良的機械性能。
[0035] 本發(fā)明可以有效降低粘結(jié)劑的使用量，使預(yù)置涂層的厚度可控并且致密度高，在 激光熔覆技術(shù)下原位合成一種組織均勻，硬度高，具有較低開裂敏感性和優(yōu)異耐磨性能的 TiB 2/TiC增強Ti2Ni/TiNi雙相金屬化合物基復(fù)合涂層。能夠解決鈦合金表面耐磨損、耐腐 蝕性能較差等缺點，可應(yīng)用于航空航天器、艦海艦船上的鈦合金零件，以及耐酸栗、耐酸閥 鈦合金部件的改性。
【附圖說明】
[0036] 圖1為實施例1中所制備復(fù)合涂層橫截面的SEM照片；
[0037] 圖2為實施例1中所制備復(fù)合涂層的典型組織SEM照片；
[0038] 圖3為實施例1中所制備復(fù)合涂層界面的SEM照片；
[0039]圖4為實施例1中所制備復(fù)合涂層橫截面硬度分布曲線；
[0040] 圖5為實施例1中所制備復(fù)合涂層斷裂韌度光學(xué)照片
[0041] 圖6為實施例1中所制備復(fù)合涂層磨損輪廓圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0043] 實施例1
[0044] a)熔覆材料的組分設(shè)計，設(shè)計4種不同比例鎳基合金粉末與碳化物陶瓷組分如表 1所示：
[0045] 表1不同比例鎳基合金粉末與碳化物陶瓷組分
[0046]
[0047]
[0048] b)組分1的復(fù)合涂層制備工藝包括下列步驟:
[0049] (1)稱取上述質(zhì)量比例的鎳基合金粉末與碳化物陶瓷粉末，將粉末充分?jǐn)嚢柩?