一种钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层及其制备方法，属于金属表面涂层材料及其制备领域。
【背景技术】
[0002]钛合金因具有比强度高、屈强比高、耐腐蚀、良好的室温及高温力学性能，在航空、航天、舰艇、兵器、石油、化工、医疗等领域得到广泛应用，但由于钛合金存在硬度低、抗压性差、耐磨性差、摩擦系数大等缺点限制了其更多的应用。例如航天用固体火箭姿控发动机的姿态调节结构由于钛合金的硬度低、抗压性能差，而不得不使用比重高的高强度钢，严重影响了系统性能的提升。针对钛合金硬度低、耐磨性差的缺点，发展了多种表面改性及涂层制备技术，包括电镀、热扩散、热氧化、PVD、CVD等传统表面技术，以及微弧氧化、等离子喷涂、超音速喷涂、离子注入、电子束沉积、激光氮化、双层辉光离子渗等现代表面技术，这些技术在改善钛合金的摩擦磨损性能方面取得了显著效果，但是，将这些表面技术应用到高承压环境时，普遍存在着或涂覆层薄，或抗压性能差，或与基体材料结合弱，或处理温度高且时间长而影响基体性能等缺点，需要在钛合金表面发展韧性高、与基体结合好、高硬度抗压表面改性层及其制备技术。
[0003]激光熔覆技术通过在基体材料表面熔化沉积一层外加的材料，实现熔覆层与基体的冶金结合，熔覆涂层的组织和性能可通过熔覆材料的选择和工艺的调整来进行控制。激光熔覆与其它工艺技术相比具有如下特点和优势:1.可以实现高精度的熔覆沉积，自动化程度高，材料利用率高；2.熔覆层厚度可以调节，并可通过多层熔覆实现厚涂层的制备；
3.激光能量集中，对基体的热输入小，对基体的热影响小；4.熔覆涂层与基体为完全冶金结合，结合强度高；5.熔覆过程冷却速率高(达14?106°C /s)，熔覆层为快速凝固组织，组织致密。但激光熔覆高硬度涂层时，由于高的温度梯度及涂层材料与基体材料热物理性能的差异，涂层容易发生开裂。
[0004]目前钛合金表面激光熔覆主要采用预先铺置TiC、NiCrBS1、NiCrBSi+TiC、T1-Co及不同比例的Cr-N1-S1、T1-N1-Si元素粉以及同步输送的WC等。预先铺粉方法一般只适合在材料表面熔覆一层材料，熔覆层厚度受到限制，粉末如铺置太厚，熔覆时很难保证涂层与基体的冶金结合和良好的涂层性能；直接在钛合金表面激光熔覆SiC、TiC及WC等所形成的涂层较脆、易产生裂纹；激光熔覆NiCrBS1、NiCrBSi+TiC、T1-Co、Cr-N1-S1、T1-N1-Si等会在涂层中生成较大量的脆性金属间化合物相，涂层韧性较差，涂层极易开裂；这些熔覆涂层在提高材料的表面硬度和耐磨性方面具有较好的作用，但由于涂层韧性较低，与基体材料热物理性能相差较大，不能满足固体火箭姿控发动机姿态调节结构的高韧性、高承压的使用要求。
[0005]综上所述，在钛合金材料表面发展与基体结合牢固的高韧性高硬度抗压涂层及其制备技术十分必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层及其制备方法，该涂层通过在钛合金表面激光熔覆同步输送的T1-Cr-TiC(Cr3C2)混合粉末，并经过后续退火处理而获得，所制备涂层与基体为完全冶金结合，涂层由a -T1、TiCrjPTiC组成，涂层中TiC含量为5-lOwt.%，激光熔覆过程中涂层具有良好的韧性，不易开裂，热处理后涂层具有高硬度和良好的抗压性能。
[0007]—种钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层，涂层由a -T1、TiCrjP TiC组成，涂层中TiC 的含量为 5-10wt.%，TiCr^含量为 45_60wt.%，其余为 α -Ti。
[0008]所述的涂层通过激光熔覆工艺将T1、Cr和TiC，或T1、Cr和Cr3C2的混合粉末熔覆在钛合金表面上，再对钛合金及涂层进行退火处理后获得。所述的混合粉末中，Cr含量为30-40wt.%，TiC 含量为 5-10wt.%，其余为 Ti ;或者 Cr 含量为 17-33.5wt.%，Cr3C2含量为
7.5-15wt.%，其余为 Ti。
[0009]所述的钛合金基体为TA15、TA12、TC4和TCll等牌号的高强度钛合金。
[0010]一种钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层的制备方法，包括如下步骤:
[0011]I)按照涂层设计成分采用机械混粉方式制备出激光熔覆用T1-Cr-TiC或T1-Cr-Cr3C2混合粉末；
[0012]2)采用激光熔覆工艺熔覆上述混合粉末，在钛合金零件表面制备出高韧性涂层；
[0013]3)对熔覆涂层进行退火处理，获得高硬度抗压涂层。
[0014]激光熔覆T1-Cr-TiC(Cr3C2)混合粉末所制备涂层由韧性的亚稳态β -Ti (固溶有较多的Cr元素)及与涂层基体相β -Ti相容的高硬度TiC组成，保证了涂层在制备过程中不发生开裂，后续热处理一方面消除了涂层应力，同时通过β-Ti发生共析反应:β -Ti — a -Ti+TiCr2，析出高硬度TiCr2Laves相，进一步提高了涂层硬度及抗压性能。
[0015]步骤I)中，所述混合粉末的质量百分比组成为:Cr粉的含量为30-40%，TiC粉的含量为5-10%，其余为Ti粉；或者Cr粉的含量为17-33.5%，Cr3C2粉的含量为7.5-15%,其余为Ti粉。
[0016]所述的Ti粉、Cr粉为球形粉末，粉末粒度为38?150微米；所述的TiC、Cr3C2粉为不规则形状，粉末粒度为45?75微米。
[0017]所述的混合粉末通过以下方法获得:按照涂层成分分别称取Ti粉、Cr粉及TiC或Cr3C2粉，然后将所称取的粉末及ZrO 2球一起装入塑料容器中，球料比为10?20:1，在混料机上进行机械混合8-12h，然后将所制备混合粉进行真空干燥处理，获得激光熔覆用混合粉末。
[0018]步骤2)中，所述的激光熔覆过程在高功率激光熔化沉积系统上进行，沉积环境气氛的氧含量低于50ppm，在载气作用下通过可调送粉器及同轴送粉喷嘴将所述混合粉末送入激光熔池内，实现混合粉末的原位冶金过程以及与基体钛合金的冶金结合，激光熔覆的轨迹根据零件的形状及涂层区域要求由系统所配备的计算机进行控制。送粉载气及保护气均为高纯度氩气。
[0019]选用激光功率1.5-1.8kW，光斑直径约为3mm，激光扫描速度为3-4mm/s，送粉速率2.8-3.0g/min，粉末载气流量4.0L/min，在钛合金基板表面熔覆2_3层，熔覆搭接率为50%，得到熔覆层厚度为1.5-2.0_。
[0020]所述的钛合金基体为TA15、TA12、TC4和TCll等牌号的高强度钛合金。
[0021]步骤3)中，所述退火处理为将激光熔覆涂层连同钛合金基体在箱式炉中在550?600°C下、保温I?6h，然后空冷，以消除涂层热应力，并通过析出TiCr2Laves相提高涂层的硬度和抗压性能。
[0022]钛合金表面激光熔覆T1-Cr-TiC(Cr3C2)混合粉末时，Ti与Cr发生原位合金化作用，由于Cr对β -Ti的稳定化作用，以及激光熔覆的快速凝固过程，促使涂层形成亚稳态β-Ti，保证了激光熔覆时涂层具有高的韧性和良好的抗开裂能力；熔覆时TiC发生部分溶解，涂层中形成少量未完全熔化的TiC颗粒和大量等轴状或细小枝晶状TiC ;Cr3C2在激光熔池作用下发生熔化和分解，形成Cr与C元素，熔池中Ti元素通过反应:Ti+Cr3C2—3Cr+TiC，促进Cr3C2的溶解，形成更为稳定的TiC，分解产生的Cr固溶于Ti中，形成亚稳态β-Ti，由于TiC析出相是由激光熔池中通过形核长大而成，保证了 TiC析出相与涂层基体相β-Ti的良好界面结合；涂层中析出TiC及部分未熔TiC的含量控制在5-lOwt.%，含量不高，且熔覆时涂层基体相为高韧性的亚稳β-Ti，保证了涂层在制备过程中不会开裂；上述熔覆涂层随后进行550?600°C、保温I?6h、空冷的退火处理时，涂层应力得到消除，并通过共析反应:β -Ti — a -Ti+TiCr2，析出高硬度的TiCr2Laves相，提高了涂层硬度及抗压性能。
[0023]综上所述，本发明所制备的钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层是通过激光熔覆快速凝固作用下形成的固溶较多Cr的亚稳β -Ti和原位析出的TiC组成，保证了激光熔覆过程涂层具有高的韧性，不发生开裂，在随后的退火处理过程中，消除了涂层应力，并析出较多量的TiCr2Laves相，进一步提高了涂层的硬度及抗压性能。
[0024]本发明的钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层及其制备方法中，激光熔覆的轨迹根据零件的形状及涂层区域要求由计算机进行控制，每层熔覆层的厚度由激光熔覆工艺来控制，熔覆涂层的厚度增加可通过增加熔覆层层数来实现。
[0025]本发明针对某些应用场合对钛合金表面涂层薄、涂层易开裂、界面结合弱及涂层抗压性能不足的问题，提出钛合金表面激光熔覆同步输送的T1-Cr-TiC(Cr3C2)混合粉末，并进行后续退火处理的技术方案，该方案所制备涂层与基体为完全冶金结合，涂层由α -T1、TiCrjP TiC组成，涂层中TiC含量在5_10wt.%，涂层具有良好的韧性、高硬度和良好的抗压性能。
[0026]下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，涂层成分及性能的变化和改进都是可能的。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例1在TA15钛合金表面制备的T1-30Cr_10TiC涂层的截面金相组织。
[0028]图2为T1-30Cr-10TiC涂层的SEM组织图。
[0029]图3为T1-30Cr-10TiC涂层的XRD分析结果。
[0030]图4为本发明实施例3在TCll钛合金表面制备T1-33.5wt% Cr_7.5wt% Cr3C2涂层的截面金相组织。
【具体实施方式】
[0031]本发明钛合金表面高韧性高硬度抗压涂层的制备方法，首先，按照涂层成分为T1-(30-40wt.% )Cr-(5-10wt.% ) TiC 或 T1-(17-33.5wt.% )Cr-(7.5-15wt.% ) Cr3C2分别称取一定量的Ti粉、Cr粉及TiC或Cr3C2粉，在本发明的实施例中可优选Ti粉、Cr粉为球形粉末，粉末粒度为38?150微米；TiC、Cr3C2粉为不规则形状，粉末粒度为45?75微米，然后将所称取的粉末及一定量的Zr02陶瓷