在钛合金表面等离子喷熔铁基或钴基耐磨合金层的方法与流程

本发明涉及一种材料改性技术，尤其是一种钛合金表面改性技术，具体地说是一种在钛合金表面等离子喷熔铁基或钴基耐磨合金层的方法。

背景技术：

众所周知，钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、弹性模量低、生物相容性好等优点而逐渐被应用于国民经济中的主要领域，特别是在船舶航海、车辆工程、生物医学等领域有着广阔的前景。但它也存在着硬度低、耐磨性能差等不足，严重限制了其进一步发展。因此，钛及其合金的表面改性越来越得到关注。

钛及钛合金的表面改性技术有很多，传统的有热喷涂、电镀、化学镀、离子注入、渗硼等，这些技术虽然能在钛及钛合金表面制备改性层，但往往存在着改性层较薄，结合强度低等不足，其使用性能很难保障。而代表现代表面技术的激光熔覆技术，虽然在设备工艺、涂层结合性能等方面有着很大的优势，但普遍存在着成本高、灵活性差等局限性，很大程度上限制了其向工程实践转变。因此到目前为止，尚未有一种改性技术能在钛及钛合金表面制备致密、厚且成本低、操作灵活，适用于大规模生产的表面防护层可供使用。

等离子喷焊工艺是表面强化技术的一个分支，它以联合型或转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，喷熔时将工件表面及喷焊料同时熔化、并将两种材料相互混合构成熔池，熔池经冷凝结晶形成熔焊层。与其他表面喷熔技术如氧乙炔火焰喷熔、焊条电弧喷熔等相比，具有生产率高，母材对合金稀释率低、喷熔层成型性好、喷熔层质量和工艺稳定等特点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的钛合金表面改性层存在结合强度低、渗层浅的问题，发明一种在钛合金表面等离子喷熔铁基或钴基耐磨合金层的方法。该方法不仅能获得性能可靠的耐磨合金层，并且操作简单，益实现机械化、自动化，便于大规模生产。

本发明的技术方案是：

一种在钛合金表面等离子喷熔铁基或钴基耐磨合金层的方法，其特征是它包括以下步骤：

1）将待处理钛金属材料采用线切割成所需尺寸，并用有机溶液清洗去油；

2）将清洗好的钛金属材料表面依此经金相砂纸120#、280#、500#打磨；

3）将打磨好的钛金属材料用有机清洗剂进行超声波清洗；

4）将喷熔的喷熔铁基或钴基粉装入送粉机器，并将打磨后的钛金属材料固定在转台上，通过等离子喷熔工艺制备耐磨层。

所述的钛金属材料为Ti6Al4V合金。

所述的喷熔材料为stellite Fe253H 铁基合金粉，粒度为45-160μm，或stellite 6H钴基合金粉，粒度为40-150μm。

所述的等离子喷熔工艺参数为：焊接电流40A，起始电流5A，转台速度4.5r/min，送粉量20g/min，离子气流量1.5L/min，送粉气流量2.3L/min，保护气流量8L/min，电弧衰退时间2.5s。

本发明的有益效果：

1、本发明在一般工艺基础上，通过合理确定等离子喷熔过程中的关键工艺参数，为钛合金表面等离子喷熔铁基钴基耐磨合金提供了一种可工业化生产的制备方法，解决了在钛合金表面很难制备结合性能良好的铁基钴基耐磨涂层的难题。

2、采用该法制备的耐磨层具有韧基体+硬质相的耐磨组织，表面硬度达到443~1059HV,是未处理钛合金的1-3倍，具有良好的耐磨性。

3、采用该法制备的耐磨层，基体/耐磨层间过渡层的组织细密,基体中的Ti元素在整个横切面上充分扩散，且一直扩散到涂层表层，显微硬度在横切面上沿层深分布具有渐变性和连续性，基体和涂层具有良好的结合性能。

4、本发明很好的解决了在钛合金表面很难制备结合性能良好且适用于工程生产的铁基钴基耐磨涂层的难题，并且该工艺过程简单、价廉、高效，在航天航空、船舶航海、车辆工程等领域具有广泛的应用前景。

本发明工艺简单、廉价、高效，制得的喷熔层具有良好的耐磨性能与优良的结合性能，较好的解决了工程生产中的实际问题。

附图说明

图1是实施例1制备的耐磨层界面区的组织形貌。

图2是实施例1制备的耐磨层喷熔层的组织形貌。

图3是实施例1制备的耐磨层的横切面合金元素沿层深分布情况。

图4是实施例2制备的耐磨层界面区的组织形貌。

图5是实施例2制备的耐磨层喷熔层的组织形貌。

图6是实施例2制备的耐磨层的横切面合金元素沿层深分布情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

一种在钛合金表面等离子喷熔铁基耐磨合金层的方法，它包括以下步骤：

1）将Ti6Al4V合金采用线切割成Φ30mmx3mm，并用无水乙醇清洗表面油污。

2）将清洗好的Ti6Al4V合金表面依此经金相砂纸120#、280#、500#打磨。

3）将打磨好的Ti6Al4V合金用丙酮在超声波清洗机中清洗5min。

4）将stellite Fe 253H铁基合金粉（粒度为45-160μm）装入送粉机器，并将打磨并清洗好的Ti6Al4V合金固定在转台上，通过等离子喷熔工艺制备耐磨层，具体参数为焊接电流40A，起始电流5A，转台速度4.5r/min，送粉量20g/min，离子气流量1.5L/min，送粉气流量2.3L/min，保护气流量8L/min，电弧衰退时间2.5s。

采用上述工艺制备的耐磨层的界面区及喷熔层组织形貌如图1、2所示，基体与耐磨层表现为良好的冶金结合，喷熔层具有典型的韧基+硬质相的耐磨组织，其表层硬度为467.3HV ，是钛金属的1.4倍，且基体中的Ti元素在整个横切面上充分扩散，一直扩散到涂层表层（图3），使之形成良好的冶金结合。

实施例二。

一种在钛合金表面等离子喷熔钴基耐磨合金层的方法，它包括以下步骤：

1）将Ti6Al4V合金采用线切割成Φ30mmx3mm，并用无水乙醇清洗表面油污。

2）将清洗好的Ti6Al4V合金表面依此经金相砂纸120#、280#、500#打磨。

3）将打磨好的Ti6Al4V合金用丙酮在超声波清洗机中清洗5min。

4）将stellite 6H钴基合金粉（粒度为40-150μm）装入送粉机器，并将打磨并清洗好的Ti6Al4V合金固定在转台上，通过等离子喷熔工艺制备耐磨层，具体参数为焊接电流40A，起始电流5A，转台速度4.5r/min，送粉量20g/min，离子气流量1.5L/min，送粉气流量2.3L/min，保护气流量8L/min，电弧衰退时间2.5s。

采用上述工艺制备的耐磨层的界面区及喷熔层组织形貌如图4、5所示，基体与耐磨层表现为良好的冶金结合，喷熔层具有典型的韧基+硬质相的耐磨组织，其表层硬度为 1041.4HV ，是钛金属的3.1倍，且基体中的Ti元素在整个横切面上充分扩散，一直扩散到涂层表层（图6），使之形成良好的冶金结合。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。