一种高承载钛合金表面的复合硬化层及制备方法与流程

本发明涉及一种高承载钛合金表面的复合硬化层及制备方法。

背景技术：

钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有高的比强度、优良的耐蚀性、耐高温，良好的生物相容性等，已成为新兴的结构和功能材料，但是钛合金的硬度低，一般不超过hv350，表面耐疲劳和耐磨损性能差。这使钛合金在很多情况下不能满足实际生产应用要求，其应用受到限制。通过表面强化技术可以明显提高钛合金的表面硬度，经过表面强化后，硬度可高达hv1000以上，可明显改善钛合金的耐磨、耐疲劳和耐腐蚀性能，扩大钛合金的使用范围，提高使用寿命。

目前在钛合金表面强化方面，采用的方法主要有表面氮化、渗碳处理、激光表面强化、制备硬质涂层以及表面纳米化等方法。这些方法在钛合金表面强化方面都得到了不同程度的研究，其中表面氮化、渗碳得到了深入研究。由于氮化钛硬度高、化学稳定性好、耐磨损、耐腐蚀性能优异，表面氮化，通过气体渗氮、等离子氮化以及激光氮化等手段，在钛合金表面形成硬质的tin层，可显著提高钛合金的表面硬度以及耐磨性。渗碳处理与表面氮化具有相似的硬化机理，通过电火花放电渗碳以及等离子辉光渗碳等方法在钛合金表面形成硬质相，显著提高表面硬度。激光表面强化方法，包括激光表面合金化、激光熔覆等方法。激光表面合金化是通过激光辐照使基体熔化，同时添加所需合金元素形成几百微米至一毫米左右的合金化改性层，从而提高材料表面性能，且合金化表面层与基材之间可形成冶金结合。激光熔覆，在基体表面利用高能量密度的激光束辐照熔覆材料在合金表面形成硬质熔覆层，如熔覆陶瓷涂层，包括tin、tic、ti5-si3等陶瓷相，显著改善表面性能。制备硬质涂层方法包括气相沉积、喷涂方法等。在合金表面制备硬质层，如喷涂wc-co，提高钛合金表面硬度，改善耐磨耐蚀性能。

以上各种表面强化方法，均得到不同程度的研究，但是以上这些强化方法都是通过附着于基材上的硬面涂层来提高其硬度，在高载荷工作条件下以及机械加工方面均不能满足应用要求。其中表面氮化、渗碳在合金表面形成的硬化层比较薄。激光熔覆得到的表面一般都很粗糙，光洁度差，硬化层薄且不均匀，在熔覆层和基体之间很容易引起开裂，熔覆层内部也会出现气孔和裂纹，涂层加工性差，且设备昂贵。表面制备硬质层如硬度过大，一般会比较脆，在冲击载荷以及过重载荷下容易开裂或从基体脱落。

对高载荷工作条件下表面硬化层的失效机理进行分析，并参考渗碳钢的表面渗碳硬化层的结构，认为是由于钛合金本体硬度与硬化层硬度差别较大，没有合理的硬度缓慢变化的过渡结构，在过大载荷下过软的钛合金基体不能承载过大载荷，引起表面硬质层的破坏。另一方面，有些方法制备的表面硬质层，表面质量差，厚度差别较大，需要进行机械加工，在加工过程中也会对表面硬化层产生破坏。

通过表面强化技术可以显著提高钛合金的表面硬度，提高承载能力，但是针对于大载荷承载情况下，目前的钛合金表面硬化技术不能满足实际应用需求，在冲击载荷以及过重载荷下会出现压裂或从基体脱落现象。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高承载钛合金表面的复合硬化层及制备方法，以解决目前的钛合金表面硬化技术不能满足实际应用需求，在冲击载荷以及过重载荷下会出现压裂或从基体脱落现象的问题。

为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高承载钛合金表面的复合硬化层，分为表面硬质层、过渡层和钛合金基体三部分，所述的过渡层是由钛合金基体的表层制成的一层表面变形强化层，过渡层的厚度在0.2-0.4mm，过渡层的从表面到钛合金基体的硬度变化是由900hv以上逐渐过渡到钛合金基体的硬度，过渡层的硬度变化缓慢均匀；所述的表面硬质层是在过渡层上面制备的硬质涂层，表面硬质层的厚度在1.5-2.5mm。

本发明所述的过渡层公开的一种形式是采用表面纳米化强化方法，在钛合金基体表层形成一层纳米尺度的晶粒层，纳米晶粒的化学成分与钛合金基体的化学成分相同，纳米晶粒层和钛合金基体的金属间没有明显的结合界面，具有渐变的硬度过渡。

本发明所述的过渡层公开的另一种形式是采用渗碳或者渗氮的方法制备的渗氮或渗碳过渡层。

本发明所述的表面硬质层是通过爆炸喷涂的方法制备的wc-co硬质涂层。

本发明在钛合金表面先制备过渡层，然后在过渡层表面制备硬质层的方法。过渡硬化层的制备方法，可以采用表面纳米化、表面氮化或碳化等方法。本发明采用复合强化技术，实现钛合金基体表面过渡层硬度的连续渐变过渡，提高表面过渡层的承载能力，能够在大载荷下连续长时间工作，不存在压裂以及脱落等情况。

有益效果：

本发明与现有最好技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明通过增加硬度缓慢变化地过渡层，在钛合金表面制备了复合硬化层，显著提高了钛合金基体的承载能力。经过表面硬化之后的钛合金能够在更高的载荷下工作，不会出现压溃、裂纹及脱落等现象。

2.本发明采用爆炸喷涂方法制备了wc-co硬质涂层，通过爆炸喷涂方法，显著提高了涂层与基体之间的结合力，保证了涂层的加工及工作性能。

附图说明

图1.为钛合金（tc4）表面硬化层的组成结构示意图，图中，包括表面硬质层1、过渡层2、钛合金基体3；

图2.为表面纳米化处理之后钛合金（tc4）表层硬度变化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为高承载钛合金表面的复合硬化层的组成结构示意图，包括合金（tc4）基体3、硬度过渡层2、表面硬质层1三部分。

过渡层2为通过表面纳米化处理方法，在钛合金基体3的表面制备的表面纳米化硬度过渡层，过渡层厚度在0.2-0.4mm，表面硬度变化从900hv左右逐渐过渡到钛合金基体硬度，硬度缓慢均匀变化。

过渡层2为采用表面高速喷丸严重变形方法，在合金表面形成一层纳米尺度的晶粒层。纳米晶粒的化学成分保持不变，材料尺寸变化小，同时纳米晶粒层和基体金属间没有明显的结合界面，结合紧密，不易脱落，可大幅提高块体材料的表面强度。表面纳米化可以制备超过0.1mm的表面变形强化层，强化层硬度过渡缓慢均匀，如图2所示。表面纳米化的方法制备的硬化层在750℃以下稳定性好，后续可以通过热喷涂、冷喷涂或者爆炸喷涂的方法，制备强韧性匹配好的硬质涂层，如wc-co涂层。

表面硬质层1为在过渡层2表面通过爆炸喷涂方法制备的wc-co硬质涂层，涂层硬度在950hv左右，涂层厚度在1.5-2.5mm。

过渡层2除了可以采用表面纳米化方法形成以外，还可以采用渗碳或者渗氮的方法制备过渡层。采用渗碳以及渗氮方法制备的过渡层，在后续的表面硬质层3制备时，需要控制表面温度，防止渗氮或渗碳层失效。

本发明已经通过实验，并已研制出样品，效果很理想，和设计的预期一致。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种高承载钛合金表面的复合硬化层及制备方法，分为表面硬质层、过渡层和钛合金基体三部分，所述的过渡层是由钛合金基体的表层制成的一层表面变形强化层，过渡层的厚度在0.2‑0.4mm，过渡层的从表面到钛合金基体的硬度变化是由900HV以上逐渐过渡到钛合金基体的硬度，过渡层的硬度变化缓慢均匀；所述的表面硬质层是在过渡层上面制备的硬质涂层，表面硬质层的厚度在1.5‑2.5mm。本发明通过增加硬度缓慢变化地过渡层，在钛合金表面制备了复合硬化层，显著提高了钛合金基体的承载能力。经过表面硬化之后的钛合金能够在更高的载荷下工作，不会出现压溃、裂纹及脱落等现象。

技术研发人员：王彬;张敏;乔岳云;乌日力嘎
受保护的技术使用者：内蒙古航天红岗机械有限公司
技术研发日：2017.12.06
技术公布日：2018.04.27