專利名稱：原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料制備領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及到一種原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
向基體材料中添加硬質(zhì)微粒是提高材料強(qiáng)硬度和耐磨性的重要方法，添加作為增強(qiáng)相的硬質(zhì)顆粒的工藝方法雖然多種多樣，如通過化學(xué)滲碳在碳鋼表層形成更多的碳化物顆粒，通過熱處理調(diào)整鋼中碳化物的分布、形態(tài)或結(jié)構(gòu)，通過激光熔覆在基體表面形成強(qiáng)化層等等，但硬質(zhì)顆粒的來(lái)源一般只有人工加入和內(nèi)部通過化學(xué)反應(yīng)合成兩種途徑。人工加入增強(qiáng)相顆粒簡(jiǎn)單方便，便于調(diào)控增強(qiáng)相的含量，增強(qiáng)相一般不受基體材料成分、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的制約，增強(qiáng)相的尺寸和形態(tài)通常受其制備工藝的影響，便于人為干涉和調(diào)控，增強(qiáng)相的分布一般受強(qiáng)化區(qū)域制備工藝和方法的制約，是人們常用的一種強(qiáng)化方法，如激光熔覆一般都通過該途徑向熔覆層中添加增強(qiáng)相。但該途徑添加的增強(qiáng)相，在其制備、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、以及制備強(qiáng)化層的過程極易被污染，或形成與基體材料難以牢固結(jié)合的表面層，在工作過程中導(dǎo)致增強(qiáng)相和基體界面成為裂紋源，特別是摩擦磨損工作過程中，增強(qiáng)相常常從基體上脫落造成磨粒磨損，反而加劇了工件的失效。而且增強(qiáng)相的分布也難以達(dá)到滿意的效果。內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)合成的途徑一般稱為原位自生技術(shù)，通過合理配置強(qiáng)化層的化學(xué)成分，在強(qiáng)化層制備形成的過程中通過化學(xué)反應(yīng)，原位自生出強(qiáng)化層中原本沒有的增強(qiáng)相顆粒，可以有效的解決上述問題。另外，人工加入增強(qiáng)相顆粒制備梯度涂層時(shí)，一般只能通過多層工藝進(jìn)行制備，較難獲得在性能上具有連續(xù)性的梯度涂層，而原位自生通過基體化學(xué)組分與涂層材料的熔合擴(kuò)散，有可能制備出在性能上具有連續(xù)性的梯度涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過預(yù)置工藝或者送粉裝置，將鎳和碳為主的混合粉料通過激光熔覆技術(shù)制備在鈦合金基體上，獲得原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)的鎳基熔覆強(qiáng)化層，從而有效提高鈦合金材料表面層的強(qiáng)硬度和耐磨性，延長(zhǎng)工件的使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，具體步驟如下1)將鎳粉、碳粉和其它元素粉末混合；鎳粉、碳粉和其它元素粉末的重量比分別為75% 90%、5% 25%、0 10% ；所述其它元素粉末為鋁、硅、釩、錳、鐵、鉻、鉬或稀土中的一種或幾種的單質(zhì)或氧化物，或者為上述元素的合金；2)將所得混合粉料置于鈦合金基材上，采用激光熔覆的方式在鈦合金基材上形成熔池，熔池中碳或鈦合金基材中的鈦發(fā)生反應(yīng)生成原位自生的碳化鈦顆粒，最終在鈦合金基材表面生成一層原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)的鎳基梯度涂層。
步驟1)中所述鎳粉的粒度為100目 500目，所述碳粉的粒度為1000目 5000 目，其它元素的粒度為100目 500目。步驟1)中的各組分的混合方式為手工研磨或機(jī)械球磨，研磨時(shí)間不低于6小時(shí)。步驟2、中混合料的供料方式可以為預(yù)置方式，通過冷靜壓、熱噴涂或涂刷方式在鈦合金基體材料上預(yù)置厚度0. 5 1. 5mm的混合粉料；也可以采用送粉方式供料。步驟2)中激光熔覆采用二氧化碳激光光源，功率1. 2-2. 3KW，掃描速度3_8mm/ sec,離焦量 200+30-60mm。上述技術(shù)方案中，在步驟2)之后，還需要進(jìn)行去應(yīng)力處理，去應(yīng)力處理具體工藝以鈦合金基體的去應(yīng)力處理工藝為準(zhǔn)。上述技術(shù)方案使本發(fā)明具有如下有益效果相對(duì)于人工添加碳化鈦顆粒增強(qiáng)的途徑，本發(fā)明提供的工藝方法可以在熔覆層中形成原位自生的碳化鈦顆粒增強(qiáng)相，克服了人工加入碳化鈦顆?？赡艽嬖谖廴?、表面層非活化態(tài)，與涂層基本相結(jié)合不牢靠等缺點(diǎn)；涂層熔覆料供給碳元素，基體供給鈦元素的方式有利于形成碳化鈦連續(xù)性梯度分布的增強(qiáng)組織，形成在性能上具有連續(xù)性梯度的強(qiáng)化涂層；原位自生的碳化鈦呈顆粒狀或者花狀，與基體相結(jié)合牢固，分布均勻，產(chǎn)率高，顆粒大小可達(dá)到數(shù)十微米，而且碳化鈦相對(duì)碳化鎢等其他碳化物顆粒具有強(qiáng)度高、密度小的特點(diǎn)，有利于涂層的輕量化；以鎳為熔覆層基本相避免了以鈦為熔覆層基本相時(shí)，涂層極易形成裂紋的危害。另外，本發(fā)明的工藝方法簡(jiǎn)單有效， 可行性極強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層截面的宏觀形貌(涂層厚度約Imm)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層截面的微觀形貌(即圖1中白色方框區(qū)域)。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層基本相的能譜分析結(jié)果(即圖2中白色三角形區(qū)域)。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層增強(qiáng)相的能譜分析結(jié)果(即圖2中白色十字形區(qū)域)。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層的XRD分析結(jié)果。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層的表面微觀形貌及顯微硬度壓痕。圖7是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層截面上顯微硬度值隨涂層深度的變化。圖8是本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化層表面摩擦磨損后的表面形貌。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例采用鎳粉、碳粉作為熔覆強(qiáng)化層的主要原材料并輔以少量其它元素，采用Ti-4A1-6V作為基體材料并作為鈦元素的供體，按照鎳粉85% wt，碳粉13% wt，其它元素粉末單質(zhì)鋁粉氧化釔進(jìn)行配料，鎳粉粒度為200目，碳粉粒度為2000目， 其它元素粉末粒度為100目；將上述各粉體混合，機(jī)械球磨M小時(shí)得到混合均勻的混合粉料；在基體材料Ti-4A1_6V上，通過冷靜壓預(yù)置厚度約1. 2mm的混合粉料；采用激光熔覆的方法使上述混合粉料與基體材料反應(yīng)生成TiC顆粒增強(qiáng)相并在基體材料Ti-4A1_6V上形成一層鎳基熔覆強(qiáng)化層；激光光源采用二氧化碳激光光源，功率設(shè)定為2. 0KW，掃描速度 5mm/sec，離焦量200+40mm ；最后，對(duì)形成強(qiáng)化層后的材料進(jìn)行去應(yīng)力處理。處理后的產(chǎn)品的強(qiáng)化層的截面的宏觀形貌如圖1所示，微觀形貌如圖2所示(即圖1中白色方框區(qū)域)，圖3和圖4分別顯示了強(qiáng)化層基本相(即圖2中白色三角形區(qū)域) 和增強(qiáng)相(即圖2中白色十字形區(qū)域)的能譜分析結(jié)果，顯然增強(qiáng)相為碳化鈦。圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的強(qiáng)化層的XRD分析結(jié)果，表明涂層物相為碳化鈦和鎳的晶體結(jié)構(gòu)。圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的強(qiáng)化層的表面微觀形貌及顯微硬度壓痕。顯微硬度測(cè)試值為維氏硬度686. 5 (基體材料為維氏硬度323. 1)。圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的強(qiáng)化層截面上顯微硬度值隨涂層深度的變化，顯然，隨著距涂層表面距離的增加，涂層硬度上升，涂層硬度呈連續(xù)性梯度分布。在1690g的載荷下，用直徑3mm的球形氧化鋁陶瓷做對(duì)磨材料，在兩個(gè)小時(shí)的干滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)后，熔覆層失重為0. OOlOg，而基體材料失重為0. 0265g, 涂層平均摩擦系數(shù)為0. 238。圖8為滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)后樣品表面的光學(xué)照片，顯然涂層中存在大量的增強(qiáng)相顆粒，提高了涂層的耐磨性。
權(quán)利要求
1.原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，具體步驟如下1)將鎳粉、碳粉和其它元素粉末混合；鎳粉、碳粉和其它元素粉末的重量比分別為 75% 90%、5% 25%、0 10% ；所述其它元素粉末為鋁、硅、釩、錳、鐵、鉻、鉬或稀土元素中的一種或幾種的單質(zhì)或氧化物，或者為上述元素的合金；2)將步驟1)所得混合粉料置于鈦合金基材上，采用激光熔覆的方式在鈦合金基材上形成熔池，熔池中碳與鈦合金基材中的鈦發(fā)生反應(yīng)生成原位自生的碳化鈦顆粒，最終在鈦合金基材表面生成一層原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)的鎳基梯度涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，步驟1)中所述鎳粉的粒度為100目 500目，所述碳粉的粒度為1000目 5000目， 其它元素粉末的粒度為100目 500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，步驟1)中的各組分的混合方式為手工研磨或機(jī)械球磨，研磨時(shí)間為6 M小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，步驟幻中混合料的供料方式可以為預(yù)置方式，通過冷靜壓、熱噴涂或涂刷方式在鈦合金基體材料上預(yù)置厚度0. 5 1. 5mm的混合粉料；或采用送粉方式供料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，步驟2)中激光熔覆采用二氧化碳激光光源，功率1. 2 2. 3KW，掃描速度3 8mm/ sec,離焦量 200+30 60mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，其特征在于，將步驟2)產(chǎn)物進(jìn)行去應(yīng)力處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)鎳基梯度涂層的制備方法，將鎳粉、碳粉和其它元素粉末按照一定比例進(jìn)行混合，將所得混合粉料置于鈦合金基材上，采用激光熔覆的方式在鈦合金基材表面原位自生生成的碳化鈦顆粒，最終在鈦合金基材表面生成一層原位自生碳化鈦顆粒增強(qiáng)的鎳基梯度涂層。本發(fā)明采用激光熔覆的方式，通過合理配置熔覆強(qiáng)化層的化學(xué)成分，在熔覆層中形成原位自生的增強(qiáng)相碳化鈦顆粒增強(qiáng)相，形成了顆粒均勻、分布狀態(tài)良好、碳化鈦含量高的增強(qiáng)相，提供了一種簡(jiǎn)單有效，可行性強(qiáng)的提高鈦合金強(qiáng)硬度和耐磨性方法。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102268672SQ20111021115
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者劉延輝, 李軍 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)