一种冰环境下使钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化的方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种在冰环境下使钛合金基材表面Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂层的显微硬度极大提高，并实现基材表面超细纳米化的方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]钛合金具有高比模量、高比强以及优异耐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天等领域。近年来，随着纳米材料的飞速发展，纳米技术开始应用于表面工程，形成了“纳米表面工程”新领域，并作为一种特殊应用技术受到国内外军方的高度重视。激光加工可以针对钛合金的不同服役条件，利用激光束加热温度高及冷却速度快的特点在钛合金表面制备纳米晶增强复合涂层，可将纳米材料优异的耐磨性与金属材料的高塑性、高韧性有机结合起来，可大幅度提高钛合金的使用寿命。Stellite合金，即通常所说的CoCrW(Mo)合金或钴基合金，是一种耐磨损和抗高温氧化的硬质合金。将适量Stellite加入到激光熔覆涂层中，涂层将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨及耐热等特点。Zn对Stellite基激光熔覆涂层的纳米化过程，是利用Zn在激光熔池中原位生成诸如Co5Zn21及CoCr等纳米颗粒来极大抑制其它晶化相长大过程，也是大量纳米晶生成的过程。且Co5Zn21纳米晶在高温熔池中具有极高的扩散率，易引发晶格畸变，使激光熔覆涂层发生非晶化转变。
[0004]基于上述原因，本发明提出了一种能够降低生产成本、增强钛合金表面硬度的材料表面超细纳米化处理的方法。将一定比例的Stellite 4-B4C-Zn混合粉末在冰环境下激光熔覆于钛合金表面。现有钛合金表面激光熔覆使用的基底粉末是Stellite 4，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆在钛合金的表面，而后进行激光熔覆。将制备好的钛合金试样放置于塑料容器中，塑料容器中的水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置到冰箱冷冻室中直至其中的溶液完全凝固，凝固后整个实验待熔试样的横截面见图1。
[0005]因基材对激光熔池的稀释作用，大量Ti由基材进入激光熔池中，可与激光熔池中的诸多化学元素发生化学反应，生成诸如TiB2、TiC等可显著改善激光熔覆涂层耐磨性能的化合物。扫描电镜照片表明，Stellite 4-B4C-Zn激光熔覆涂层组织结构均匀，无裂纹及气孔产生(见图2a)，且有大量纳米棒(见图2b)及纳米颗粒生成(见图2c)。在冰环境中进行激光表面处理的目的是使超细纳米颗粒及纳米棒存在，从而大幅度提升激光涂层的显微硬度。例如，将表面涂有Stellite 4-B4C-Zn预置涂层的钛合金试样在冰环境中进行激光表面处理，冰使激光熔池的存在时间及最高温度明显下降，这将在很大程度抑制粗大TiBJ^状析出物的产生，有利于TiB纳米棒的生成；另一方面，激光熔池存在时间明显下降将使小颗粒析出相的生长时间明显缩短，有利于超细纳米晶的形成。
[0006]图3显示了冰环境中产生的Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂层的显微硬度分布，可达1450?1500 HVa2，较未在冰环境下产生的Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂层提高了将近 300 HV0.2 ο
【发明内容】
[0007]本发明针对钛合金表面Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆涂层组织结构过于粗大，通过冰环境的加入使该熔覆涂层超细纳米化，从而改善熔覆涂层的表面形貌及提升显微硬度。该项技术可应用于金属零部件制造及修复等诸多方面。
[0008]发明具体步骤:
(1)将一定质量比例的Stellite4与B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末Stellite 4尺寸I?370 μ m, B4C及Zn粉末尺寸4?400 μ m ;
(2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在钛合金表面，涂层厚度0.3?2 _，自然风干；
(3)将制备好的钛合金试样放置在如图3所示的小塑料容器中，其中水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置于冰箱冷冻室中直至其中溶液完全凝固；
(3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数:激光功率450?3500 W，扫描速度I?18 mm/s,光斑直径I?9 mm，IS气保护气压0.1?1.2 MPa。
[0009]所述步骤(I)中水玻璃溶液模数1.2?4.7 ;
步骤(2)所述钛合金可为TA15\TA2\TC4\TC17牌号钛合金；
步骤(2 )所述混合粉末中，各成分及其质量分数:B4C3%-36%，Zn2%-9%，余量为Stellite 4。其中 Stellite 4 名义化学成分:C0.90，Cr32.00，Sil.00，W13.50，Fel.00，Mo0.50，Ni3.00，Mn0.50，N1.50，余为 Co。
[0010]本发明是在氩气作为保护气条件下，试样表面发生激光熔覆。在激光熔覆过程中，试样保持原有运动速度不变。试样表面完全激光熔覆发生后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。后关闭保护气的原因是为了使气体对试样表面进行充分保护。
[0011]本发明的有益效果是能获得钛合金表面超细纳米化涂层。本发明有工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。
[0012]说明书附图
图1是待熔试样的横截面图.图中I为钛合金，2为预置涂层，3为塑料容器，4为冰。
[0013]图2是冰环境下钛合金上Stellite 4-B4C_Zn激光熔覆层:(a)宏观SEM像，(b)纳米棒，(C)纳米颗粒.图3是冰环境中钛合金上Stellite 4_B4C_Zn激光熔覆层的显微硬度分布.
【具体实施方式】
[0014]实施例1:
将TA15合金切成长度10 mm、宽度10 mm、厚度10 mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后将质量分数86%Stellite 4、10%B4C及4%Zn的混合粉末激光熔覆于其10 mmX 10 mm面上。
[0015]具体工艺步骤:
(I)激光熔覆之前，用240号砂纸打磨TA15钛合金待激光处理表面，使其表面粗糙度达Ra 2.5 μ m ;然后用体积百分比15%硫酸水溶液对待激光处理表面进行清洗，酸洗时间5?10 min ;酸洗后，用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
(2)用玻璃试管配置20毫升水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积
配置比例为1:3，即量取5毫升的纯水玻璃和15毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀；
(3)在天平上分别称取Stellite4合金粉0.86 g、B4C粉0.1Og, Zn粉0.04g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数2.2?3.7水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。基底粉末尺寸10?200 μ m, B4C, Zn粉尺寸20?300 μ m ;
(4)将糊状混合粉末均匀地涂敷于钛合金表面，涂层厚度0.8 mm,自然风干；
(5)将制备好的钛合金试样放置于小塑料容器中，小塑料容器中的水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置到冰箱冷冻室中直至其中溶液完全凝固；
(6)用激光束对上述玻璃容器中凝固溶液中的试样表面进行激光熔覆处理，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数:激光功率800 W，扫描速度6mm/s,光斑直径4 mm, IS气保护气压0.4 MPa。
[0016](7)具体步骤:将塑料容器中凝固溶液中的试样放置于正对着激光发射口位置，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。位置调整好后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器发射口拉开一定距离，然后尽快让试样向激光喷口以4 mm/s速度匀速运动。试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气保护下，试样表面发生激光熔覆。激光熔覆反应后，将激光关闭，再过一秒钟后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了使保护气对试样表面进行充分保护。激光熔覆后，试样表面硬度可达1450?1500 HV0.20
【主权项】
1.一种冰环境下使钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化的方法 (1)将一定质量比例Stellite4、B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液(Na2O *nSi02)均匀调成糊状；所述基底粉末为Stellite 4，基底粉末尺寸I?370 μ m, B4C及Zn粉末尺寸4?400 μ m ;后将糊状混合粉末均匀地涂敷于TA15\TA2\TC4\TC17牌号钛合金表面，涂层厚度0.2?2 mm,自然风干； (2)将制备好的钛合金试样放置于预备好的小塑料容器中，小塑料容器中的水刚好没过试样，而后将小塑料容器放置于冰箱冷冻室中直至其中溶液完全凝固； (3)用激光束对上述预置涂层的钛合金试样表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数:激光功率450?3500 W，扫描速度I?18mm/s,光斑直径I?9 mm，IS气保护气压0.1?1.2 MPa。
2.根据权利要求1所述的增强TA15\TA2\TC4\TC17钛合金表面激光熔覆层的方法，其特征是，步骤(3)所述的混合粉末中，各成分的质量分数:B4C3%-36%，Zn2%-9%，余量为Stellite 4。
【专利摘要】本发明公开一种在冰环境下使钛合金表面激光熔覆涂层超细纳米化方法，步骤如下：将一定质量比例Stellite4与B4C、Zn混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述Stellite？4尺寸1～370μm，B4C及Zn尺寸4～400μm。将糊状混合粉末均匀涂敷于钛合金表面，涂层厚度0.2～2mm，自然风干。将制备好的试样放置于塑料容器中，其中水刚好没过试样，后将容器放置于冷冻室中至溶液完全凝固。用激光束对上述试样表面进行熔覆，同时用氩气保护。工艺参数：激光功率450～3500W，扫描速度1～18mm/s，保护气压0.1～1.2MPa。本发明可获得硬度与表面形貌质量显著提高的钛合金表面超细纳米化涂层。
【IPC分类】C23C24-10
【公开号】CN104561996
【申请号】CN201510022513
【发明人】李嘉宁, 张元彬, 石磊, 霍玉双, 刘科高, 罗辉, 袁兴栋, 刘鹏
【申请人】山东建筑大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月17日