一种在钛合金上制备Ni基合金梯度材料的激光制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工技术领域，涉及一种在钛合金上制备Ni基合金梯度材料的激光制造工艺，主要用于钛合金表面耐高温层的制备，提高钛合金的高温特性。
【背景技术】
[0002]高超声速飞行器和新一代高性能战斗机的研制，飞机机身高温部件如机翼前缘、垂尾前缘，发动机高温部件如燃烧室外机匣对耐高温性提出了更高的要求，但又考虑到飞机减重的问题，因此迫切需要研制轻质、高性能、耐高温的新型结构功能材料才能满足设计要求。目前飞机和发动机高温部件较多的使用Ni基高温合金，如发动机燃烧室外机匣使用GH4169，而轻质高强材料较多使用钛合金材料，考虑到两种材料的特性，将两种材料结合，即在钛合金基体上制备Ni基高温合金，形成一种新型结构功能材料，满足轻质耐高温两种性能，故而钛合金/Ni基高温合金温度功能梯度材料的研制就有其明确的型号研制需求背景。
[0003]钛合金与Ni基高温合金两种材料热膨胀系数差异大，两种材料反应会产生多种金属间化合物，导致两种材料相容性极差，直接结合无法实现。需要进行中间层过渡成分的分析与研制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种在钛合金材料上制备Ni基合金耐高温梯度材料的激光制造方法，主要用于钛合金表面耐高温层的制备，提高钛合金的高温特性。
[0005]本发明技术方案的具体内容是:
[0006](I)采用氩气雾化制粉方式制备Ni基合金和中间过渡层粉末材料，中间过渡层材料为两种，分别为V-Cr合金和不锈钢合金，V-Cr合金的Cr含量体积分数范围5.0%?12.0%,不锈钢的C含量控制在0.05 %以下，Cr含量8 %?20 %，Ni含量控制在10 %以下，粉末粒度为150目?325目；
[0007](2)首先采用激光恪覆的方法在钛合金基材上制备0.3?0.5mm厚的V-Cr合金层，然后在V-Cr层上激光熔覆0.2?0.5mm厚的不锈钢合金，最后在不锈钢层上激光熔覆0.2?0.5mm厚的Ni基高温合金，实现钛合金到Ni基合金的梯度过渡；
[0008](3)在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650 °C ?750 °C。
[0009]本发明具有的优点和有益效果
[0010]本发明采用激光熔覆技术在钛合金材料表面制备Ni基合金耐高温梯度材料，激光熔覆在制备梯度材料时具有以下优势:激光束的能量密度高，加热速度快，对钛合金基材的热影响较小，熔入钛合金基材的深度可控制在0.1mm以下，焊后产生的残余应力小，引起基材的变形小，控制表面裂纹的产生；熔覆层的厚度范围较大，单层熔覆厚度0.1?2.0mm ;可精确控制梯度材料的成形厚度。
[0011]本发明制备钛合金/Ni基合金耐高温梯度材料，最关键的就是中间过渡层的设计和优化，选用两种材料实现钛合金到镍基高温合金的梯度过渡，首先是在钛合金上制备V-Cr合金，因为Ti与V和Cr均为匀晶相图，可以完全互溶，随后在V-Cr层上制备不锈钢合金，Fe与V和Cr均为匀晶相图，也可以完全互溶，同时控制不锈钢材料中的C含量在0.05 %以下，使不锈钢中间层具有较好的延展性以缓解梯度材料制备过程中的残余应力，控制不锈钢中的Ni含量在5%以下，以防止Ni和钛合金中的Ti相互扩散后生成T1-Ni脆性金属间化合物，导致开裂，另外Fe与Ni也可完全互溶，通过以上中间层材料的设计和优化，实现了钛合金/Ni基合金耐高温梯度材料的完好制备，表面无裂纹缺陷，梯度材料各层之间熔合率可达100%，结合很好。该梯度材料具有轻质、高强、单侧耐高温等优良特性，可推广至高速飞行器和高推重比发动机热端部件的材料研制。【具体实施方式】:
[0012]以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述:
[0013]该方法的步骤是:
[0014](I)采用氩气雾化制粉方式制备Ni基合金和中间过渡层粉末材料，中间层材料为两种分别为V-Cr合金和不锈钢合金，V-Cr合金的Cr含量体积分数范围8.0%?10.0%，不锈钢的C含量控制在0.03%以下，Cr含量10%?15%，Ni含量控制在5%以下。粉末粒度为150目?325目；
[0015](2)制备前表面清理，使用钢丝轮打磨去除钛合金表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮擦洗干净；
[0016](3)首先采用激光恪覆的方法在钛合金基材上制备0.3?0.5mm厚的V-Cr合金层，然后在V-Cr层上激光熔覆0.3?0.5mm厚的不锈钢合金，最后在不锈钢层上激光熔覆Ni基高温合金，实现钛合金到Ni基合金的梯度过渡；
[0017](4)耐高温梯度材料制备完成后，在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650°C?750°C，随炉冷却。
[0018]实例一
[0019]在TC4钛合金板上制备GH4169耐高温梯度材料
[0020]1.TC4钛合金准备
[0021]加工TC4钛合金板，尺寸为50mmX 50mmX 10mm。
[0022]2.实施过程
[0023](I)采用氩气雾化制粉方式制备GH4169粉末及V-Cr和不锈钢中间层合金粉末，V-Cr合金的体积百分数分别为91.3%和8.7%，不锈钢的C含量0.03%, Cr含量13%，Ni含量5%，粉末粒度为150目?325目；
[0024](2)制备前表面清理，使用钢丝轮打磨去除TC4钛合金板材表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮擦洗干净；
[0025](3)首先采用激光恪覆的方法在钛合金基材上制备50mm X 50mm X 0.5mm的V-Cr合金层，然后在V-Cr层上激光恪覆50mmX50mmX0.5mm的不锈钢合金，最后在不锈钢层上激光熔覆50mmX50mmX0.5mm的GH4169耐高温曾，实现TC4钛合金到GH4169高温合金的梯度过渡；
[0026](4)耐高温梯度材料制备完成后，在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火制度:650°C X2h，随炉冷却。
[0027]与现有技术相比，采用本发明技术方案在TC4钛合金上制备的GH4169耐高温梯度材料，经荧光检测无裂纹缺陷，在保证TC4钛合金轻质特性的同时，显著提高TC4材料表面的耐1?温特性D
【主权项】
1.一种在钛合金上制备Ni基合金梯度材料的激光制造工艺，其特征在于:该方法的步骤是: (1)采用氩气雾化制粉方式制备Ni基合金和中间过渡层粉末材料，中间过渡层材料为两种，分别为V-Cr合金和不锈钢合金，V-Cr合金的Cr含量体积分数范围5.0%?12.0%,不锈钢的C含量控制在0.05%以下，Cr含量8%?20%，Ni含量控制在10%以下，粉末粒度为150目?325目； (2)首先采用激光熔覆的方法在钛合金基材上制备0.3?0.5mm厚的V-Cr合金层，然后在V-Cr层上激光熔覆0.2?0.5mm厚的不锈钢合金，最后在不锈钢层上激光熔覆0.2?0.5mm厚的Ni基高温合金，实现钛合金到Ni基合金的梯度过渡； (3)在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650°C?750。。。2.根据权利要求1所述的一种在钛合金上制备Ni基合金梯度材料的激光制造工艺，V-Cr合金的Cr含量体积分数为8.0 %?10.0 %，不锈钢的C含量控制在0.03 %以下，Cr含量10%?15%，Ni含量控制在5%以下。
【专利摘要】本发明属于激光加工技术领域，涉及一种在钛合金上制备Ni基合金耐高温梯度材料的激光制造方法，主要用于钛合金耐高温层的制备，提高钛合金的高温特性。选用耐高温特性优于钛合金的Ni基合金作为耐高温层，采用激光熔覆工艺，通过添加V-Cr和不锈钢两种中间层，最终在钛合金上制备Ni基合金梯度耐高温材料。制备的Ni基合金耐高温层与钛合金基体结合很好，表面无裂纹缺陷。
【IPC分类】C22C19/05, C23C24/10
【公开号】CN105154872
【申请号】CN201510560572
【发明人】孙兵兵, 张学军, 郭绍庆, 陈冰清, 李能, 唐思熠, 杜博睿
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月6日