一種通過納米化因子使鈦合金激光沉積層納米化的方法
【專利說明】一種通過納米化因子使鈦合金激光沉積層納米化的方法
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技術領域
[0002]本發明涉及一種實現鈦合金表面激光熔化沉積層納米化的方法，屬于材料表面強化技術領域。特別涉及一種利用Zn-SiC納米化因子在氬氣環境下使鈦合金基材表面Stellite 21基激光熔化沉積層納米化的方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]鈦合金具有高比模量、高比強以及優異耐蝕性等優點，已被廣泛應用于航空航天等重要工業領域。激光熔化沉積層中產生的納米顆粒因其特殊的結構和尺寸效應，而具有一般材料難以獲得的優異性能，如高耐磨性和耐高溫氧化性等。Stellite 21粉末是一種高硬度的鎳鉻硼硅鐵合金粉末，具有自熔性與潤濕性優良且熔點較低等特性，其激光熔化沉積層具有硬度高、高耐蝕、耐磨及耐熱等特點；適量陶瓷相加入可顯著提高Ni60A基激光熔化沉積層的硬度與耐磨性能。由于Stellite 21粉末所包含的Ni與γ-Fe同為面心立方晶格結構，可無限互溶；Ni優先與γ-Fe形成固溶體晶核，晶核不斷從處于熔融狀態的熔池中吸收大量Ni原子而長大，并使大量Ni元素發生聚集，在熔合區形成富Ni網狀γ - (Fe,Ni)奧氏體相，利于提升沉積層的塑韌性。Stellite合金，即通常所說的CoCrW(Mo)合金或鈷基合金，是一種耐磨損和抗高溫氧化的硬質合金。將適量Stellite加入激光熔化沉積層中，該層將具有高硬度、耐腐蝕、耐磨及耐熱等諸多優點。Zn對StelIite基激光沉積層的納米化過程，是利用Zn在激光恪池中原位生成諸如Co5Zn21& CoCr等納米顆粒來極大抑制其它晶化相長大過程，也是大量納米晶生成的過程，該類納米晶在高溫熔池中具有極高的擴散率，易引發晶格畸變，使激光沉積層發生非晶化轉變；SiC陶瓷相產生可顯著細化激光沉積層晶界處的網狀共晶組織。
[0005]由于熔化沉積過程中熔池各部位受熱不均勻，許多細小的陶瓷相無法充分熔化而成為晶體結晶的形核點，利于細化層組織。激光熔化沉積過程中，大量具有小原子半徑的非金屬元素，如S1、C等元素因熔化沉積粉末熔化或基材的稀釋作用而進入熔池，增加了原子的堆垛密度，利于增強過冷液相的穩定性，促使非晶相在層中產生。因激光輻射所產生熔池具有急冷特性，因此非晶相產生過程利于納米晶的產生；另外，在激光熔化沉積過程中，由于基材對熔池的稀釋作用，大量Al、T1、Mo、V、Zr元素由基材進入熔池，可顯著改善層的耐磨性。Mo、Zr、V均屬于強碳化物形成元素，熔化沉積過程中所生成的碳化物穩定且不易長大，質點細小，可有效阻止晶界移動并細化組織結構。
[0006]基于上述科學原理，本發明提出了一種能夠降低生產成本，使鈦合金激光熔化沉積層納米化的處理方法。現有鈦合金表面激光處理使用的預置粉末為Stellite21-TiC-Zn-SiC，直接用水玻璃溶液均勻攪拌成糊狀涂覆于鈦合金表面，而后進行激光熔化沉積；Stellite 21具有極強的玻璃形成能力，Co與Ni元素進入熔池利于非晶相產生。
[0007]掃描電鏡照片表明，氬氣環境下產生的Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉積層的組織結構均勻，無裂紋及氣孔產生(見圖1a);圖1b所示為納米化因子作用下沉積層中催生出的大量納米化顆粒形貌。Zn-SiC添加到激光熔化沉積層的目的是為通過化學反應使沉積層呈納米化結構，從而達到提升鈦合金表面耐磨損性的目的。
[0008]采用MM200磨損試驗機測定梯度復合材料的抗磨性能。選用尺寸為Φ40Χ 12的YG6硬質合金磨輪，轉速400 r/min，載荷為5 kg。圖2顯示了氬氣環境中產生的Stellite21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉積層的磨損量，該沉積層的磨損量約為鈦合金基材的1/15，為未加入Zn-SiC納米化因子激光熔化沉積層的1/2。
[0009]
【發明內容】
[0010]本發明通過Zn-SiC納米化因子的引入誘導鈦合金激光熔化沉積層納米化，從而改善其表面形貌并提升鈦合金表面耐磨性。該技術可應用于金屬零部件制造等諸多方面。
[0011]具體步驟:
(1)將一定質量比例Stellite 21 (I ?220 ym)、TiC (I ?180 μm),Zn-SiC (10 ?220 μ m混合粉末用水玻璃溶液均勻調成糊狀；
(2)將糊狀混合粉末均勾涂敷于鈦合金表面，層厚度0.1?2.6 mm,自然風干；
(3)用激光束對上述預置層的試樣表面進行激光熔化沉積，激光束垂直掃描過程中側向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒。工藝參數:激光功率260?4100 W，掃描速度0.5?25mm/s，光斑直徑0.5?8 mm，氬氣保護氣壓0.1?1.2 MPa。本發明能夠獲得顯微硬度顯著提高的鈦合金表面激光熔化沉積納米化層。
[0012]在混合粉末涂覆之前可清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。
[0013]所述步驟(I)中的水玻璃溶液的模數為1.2?5.4。
[0014]步驟(2)所述鈦合金可為TA15\TC17\TC4\TA2牌號。
[0015]步驟(2)所述混合粉末中，各成分及其質量分數:TiC3%_38%，Znl%_12%，SiC8%-16%，余量 Stellite 21。其中 Stellite 21 名義化學成分:C0.25，Cr27.00，Sil.00，W0.15，Fe2.00，Μο5.50，Ni3.00，Mnl.00，余為 Co。
[0016]本發明在氬氣保護氣條件下激光熔化沉積過程中，試樣保持原有運動速度不變。試樣表面完全激光熔化沉積后，將激光關閉，兩秒鐘后將保護氣體關閉。后關閉保護氣的目的是為對試樣表面進行充分保護。
[0017]本發明能夠獲得耐磨性及表面形貌較好的鈦合金激光納米化層。有工藝簡單方便、適用性強、便于推廣應用等優點。
[0018]
【附圖說明】
圖1是Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉積層的宏觀SEM像(a)；微觀納米顆粒像(b)。
圖2是氬氣環境中Stellite 21_TiC-Zn_SiC、Stellite 21_TiC激光熔化沉積層與TC17鈦合金的磨損體積圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1:
將TC17合金切成長度10 mm、寬度35 mm、厚度10 mm的正方體。在混合粉末涂覆之前，清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。而后將質量分數77%Stellite 21、10%TiC、3%Zn、10%SiC的混合粉末激光恪化沉積于其10 mmX35 mm面上。
[0020]具體工藝步驟:
(1)在激光沉積之前，用120號砂紙打磨TC17鈦合金待激光處理表面，使其表面粗糙度達Ra 2.5 y m;然后用體積百分比25%硫酸水溶液對待激光處理表面進行清洗，酸洗時間5?10 min ;酸洗后，用清水沖洗、用酒精將待熔工件表面擦拭干凈、吹干；
(2)用玻璃試管配置20ml的水玻璃溶液，該水玻璃溶液中的純水玻璃與水的體積配置比例為1:3，即量取5 ml的純水玻璃和15 ml的水，在玻璃試管內攪拌均勻；
(3)在天平上分別稱取Stellite21合金粉0.77 g、TiC粉0.10g、Zn粉0.03g，SiC粉0.10g，將稱量好的粉末倒入小燒杯中，用模數1.1?3.6的水玻璃溶液將此混合粉末均勻攪拌成糊狀。Stellite 21基底粉末尺寸50?100 μm，TiC、Zn、SiC粉末尺寸40 μπι?110 μ m ；
(4)將糊狀混合粉末均勻地涂敷于鈦合金表面，層厚0.7 _，自然風干；
(5)用激光束對上述玻璃容器中的試樣表面進行激光沉積處理；工藝參數:激光功率800W，掃描速度6 mm/s，光斑直徑4 mm，氬氣保護氣壓0.4 MPa ；
(6)將試樣放置于正對著激光發射口的位置。位置調整好之后，用激光器上平行調節試樣位置的扳手將試樣與激光器發射口拉開一定的距離，然后讓試樣向激光噴口以6 mm/s速度勻速運動。當試樣將要運動到激光發射口時，提前開啟激光發射器，試樣表面發生激光熔化沉積。試樣表面完全激光熔化沉積后，將激光關閉，兩秒鐘后將保護氣體關閉。激光處理完成后，Stellite 21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉積層的磨損體積約為TC17基材的1/16。
【主權項】
1.一種納米化因子作用下鈦合金激光熔化沉積層納米化的方法: (1)將一定質量比例Stellite21-Ti C-Zn-Si C混合粉末用水玻璃溶液(Na20.nSi02)均勻調成糊狀；所述Stellite 21粉末尺寸I?220 μm，TiC粉末尺寸I?180 μπι ,Zn-SiC粉末尺寸10?220 μ m ;后將糊狀混合粉末均勻地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2牌號鈦合金表面，自然風干； (2)將糊狀混合粉末均勻地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2鈦合金表面，層厚0.1?2.6mm ； (3)用激光束對上述鈦合金試樣表面進行激光熔化沉積，激光束垂直掃描過程中側向同軸吹送氬氣保護熔池及鏡筒；工藝參數:激光功率260?4100 W，掃描速度0.5?25 mm/s，光斑直徑0.5?8 mm，氬氣保護氣壓0.1?1.2 MPa02.根據權利要求1所述的使TA15\TC17\TC4\TA2鈦合金激光熔化沉積層納米化的方法，其特征是，步驟(I)所述的混合粉末中，各成分質量分數:TiC3%-38%，Znl%-12%,SiC8%-16%，余量 Stellite 21。
【專利摘要】本發明公開了一種用化學方法制備納米化激光熔化沉積復合材料的方法。步驟如下：將一定質量比例Stellite 21基底粉末、TiC、Zn-SiC混合粉末用水玻璃均勻調成糊狀。Stellite 21尺寸1～220 μm、TiC尺寸1～180 μm，Zn-SiC為納米化因子，尺寸10～220 μm。將糊狀混合粉末均勻涂敷于鈦合金表面，層厚0.1～2.6 mm，自然風干。用激光束對上述鈦合金試樣表面進行激光處理。工藝參數：激光功率260～4100 W，掃描速度0.5～25 mm/s，光斑直徑0.5～8 mm，氬氣保護氣壓0.1～1.2 MPa。本發明能夠獲得耐磨性顯著提高的納米化激光熔化沉積層。
【IPC分類】C23C24/10, C22C32/00, C22C19/07
【公開號】CN104988493
【申請號】CN201510279059
【發明人】李嘉寧, 張元彬, 霍玉雙, 羅輝, 劉鵬, 石磊
【申請人】山東建筑大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年5月28日