一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法。该方法是首先对Ti-6Al-4V合金的表面进行表面电镀镍处理，再通过热处理的方式使镍层能够更好地渗入到合金表面，形成镍-钛过渡层，最后利用超音速火焰喷涂技术对合金表面进行喷涂，以形成碳化钨涂层，这样不仅能够提高结合强度，而且还起到隔绝氧化的效果，减少Ti-6Al-4V合金出现氧化，从而提高了涂层与Ti-6Al-4V合金之间的结合强度。
【专利说明】一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于表面防护【技术领域】，特别是涉及一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法，
【背景技术】
[0002]T1-6A1_4V合金为典型的(α +β )型两相钛合金，由于其具有优良的耐蚀性、低密度及较好的韧性和焊接性等一系列优点，因此已被广泛用于民用和军用宇航工业，例如航空器的各种梁、隔框、滑轨和起落架梁，航空发动机的风扇、压气机叶盘和叶片，航天火箭的壳体和压力容器，以及各种类型的紧固件等。但是，由于T1-6A1-4V合金具有表面耐磨性差的缺点，因此使用寿命受到很大的影响。为此，必须采取适当的措施对其表面进行保护，以提高结构件的使用性能和寿命。利用超音速火焰喷涂技术制备的碳化钨(WC)涂层具有很高的耐磨性能，将是钛合金表面保护的理想手段。超音速火焰喷涂技术是上世纪80年代发展起来的一种高速火焰喷涂技术，其突出的特点是粒子飞行速度高(可达700m/s)，加热温度低(约为3000°C)，特别适合喷涂加热后易分解的碳化钨金属陶瓷涂层。这种涂层的结合强度高O 80Mpa)、密度大(孔隙< 1%)、硬度高O HV1000),因此具有良好的耐磨性能。
[0003]然而经科研人员研究发现，虽然这种利用超音速火焰喷涂技术制备的WC涂层能够大大提高钛合金表面的耐磨性能，但与钛合金的结合强度并不高，而且随着使用强度和寿命的增加，容易产生分层失效，从而令保护效果大打折扣。通过进一步研究发现，喷涂过程中火焰所产生的高温造成了钛合金表面氧化，氧化层与涂层结合强度低是造成失效的最重要原因，因此降低喷涂过程中钛合金的氧化程度是提高结合性能的切入点。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法。`
[0005]为了达到上述目的，本发明提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0006]I)将T1-6A1_4V合金的表面用细砂纸进行打磨处理，以去除表面氧化层；
[0007]2)在pH值为5.6~5.9、温度为43~60°C和阴极电流密度Dk为2.0~IOA.dnT2的条件下对上述打磨后的T1-6A1-4V合金用镀液进行表面镀镍处理，直至形成0.2±0.01mm的镍层；
[0008]3)将上述镀镍后的T1-6A1_4V合金在氩气保护下于720°C的温度下进行热处理4h，以促进镍的扩散和镍-钛过渡层的形成；
[0009]4)对上述热处理后的T1-6A1_4V合金表面的镍层用细砂纸进行预磨处理，以去除
表面氧化层；
[0010]5)利用超音速火焰喷涂技术在上述预磨后的T1-6A1-4V合金表面进行喷涂，涂层粉末材料为WC-17CO，直至形成厚度为200-300 μ m的碳化钨涂层。[0011]所述的步骤2)中的镀液每升中含有179-181g NiSO4.6H20、24_26gNH4Cl和29_31gH3BO3 ο
[0012]所述的步骤5)中超音速火焰喷涂的工艺条件为:以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，喷涂过程中航空煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s。
[0013]本发明提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法是首先对T1-6A1-4V合金的表面进行表面电镀镍处理，再通过热处理的方式使镍层能够更好地渗入到合金表面，形成镍-钛过渡层，这样不仅能够提高结合强度，而且还起到隔绝氧化的效果，减少T1-6A1-4V合金出现氧化，从而提高了涂层与T1-6A1-4V合金之间的结合强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为T1-6A1_4V合金表面镀镍后的SEM图像。
[0015]图2 Ca)为镀镍前T1-6A1_4V合金表面EDS图谱；图2 (b)为镀镍和热处理后镍-钛过渡层的EDS图谱。
[0016]图3 Ca)为未进行镀镍处理，只经过超音速火焰喷涂的T1-6A1_4V合金经四点弯曲后的EDS图像；图3 (b)为经 过镀镍处理，且经过超音速火焰喷涂的T1-6A1-4V合金经四点弯曲后的EDS图像。
[0017]图4 (a)和图4 (b)分别为未进行镀镍处理，只经过超音速火焰喷涂的Ti_6Al_4V合金以及经过镀镍处理，且经过超音速火焰喷涂的T1-6A1-4V合金断裂能量释放率计算结果示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法进行详细说明。
[0019]实施例1:
[0020]本实施例提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0021]I)将T1-6A1_4V合金的表面用1200目细砂纸进行打磨处理，以去除表面氧化层；
[0022]2)在pH值为5.6、温度为45°C和阴极电流密度Dk为2.0A.dm_2的条件下对上述打磨后的T1-6A1-4V合金用镀液进行表面镀镍处理，每升镀液中含有179g NiSO4.6H20、24gNH4Cl 和 29g H3BO3，直至形成 0.2 ± 0.01mm 的镍层；
[0023]3)将上述镀镍后的T1-6A1_4V合金在氩气保护下于720°C的温度下进行热处理4h，以促进镍的扩散和镍-钛过渡层的形成；
[0024]4)对上述热处理后的T1-6A1_4V合金表面的镍层用1200目细砂纸进行预磨处理，以去除表面氧化层；
[0025]5)利用超音速火焰喷涂技术在上述预磨后的T1-6A1_4V合金表面进行喷涂，涂层粉末材料为WC-17CO，超音速火焰喷涂的工艺条件为:以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，喷涂过程中航空煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s,直至形成厚度为200-300 μ m的碳化鹤涂层。
[0026]实施例2:
[0027]本实施例提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0028]I)将T1-6A1_4V合金的表面用1200目细砂纸进行打磨处理，以去除表面氧化层；
[0029]2)在pH值为5.7、温度为50°C和阴极电流密度Dk为6.0A.dm_2的条件下对上述打磨后的T1-6A1-4V合金用镀液进行表面镀镍处理，每升镀液中含有180g NiSO4.6H20、25gNH4Cl 和 30g H3BO3，直至形成 0.2 ± 0.01mm 的镍层；
[0030]3)将上述镀镍后的T1-6A1_4V合金在氩气保护下于720°C的温度下进行热处理4h，以促进镍的扩散和镍-钛过渡层的形成；
[0031]4)对上述热处理后的T1-6A1_4V合金表面的镍层用1200目细砂纸进行预磨处理，以去除表面氧化层；
[0032]5)利用超音速火焰喷涂技术在上述预磨后的T1-6A1_4V合金表面进行喷涂，涂层粉末材料为WC-17CO，超音速火焰喷涂的工艺条件为:以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，喷涂过程中航空煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s,直至形成厚度为200-300 μ m的碳化 鹤涂层。
[0033]实施例3:
[0034]本实施例提供的用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0035]I)将T1-6A1_4V合金的表面用1200目细砂纸进行打磨处理，以去除表面氧化层；
[0036]2)在pH值为5.9、温度为60°C和阴极电流密度Dk为IOA.dm_2的条件下对上述打磨后的T1-6A1-4V合金用镀液进行表面镀镍处理，每升镀液中含有181g NiSO4.6H20、26gNH4Cl 和 3Ig H3BO3，直至形成 0.2±0.01mm 的镍层；
[0037]3)将上述镀镍后的T1-6A1_4V合金在氩气保护下于720°C的温度下进行热处理4h，以促进镍的扩散和镍-钛过渡层的形成；
[0038]4)对上述热处理后的T1-6A1_4V合金表面的镍层用1200目细砂纸进行预磨处理，以去除表面氧化层；
[0039]5)利用超音速火焰喷涂技术在上述预磨后的T1-6A1_4V合金表面进行喷涂，涂层粉末材料为WC-17CO，超音速火焰喷涂的工艺条件为:以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，喷涂过程中航空煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min,喷涂距离为380mm,喷涂速度为300mm/s,直至形成厚度为200-300 μ m的碳化
鹤涂层。
[0040]为了验证本发明的效果，本发明人利用扫描电镜对上述实施例制备出的经过镀镍及热处理后的T1-6A1-4V合金结构进行了观察，由图1可以很明显看出，经镀镍和热处理之后的T1-6A1-4V合金分为三层:表面镀镍层、中间镍-钛过渡层和钛合金基体。
[0041]图2(a)为镀 镍前T1-6A1_4V合金表面EDS图谱；图2(b)为镀镍和热处理后镍-钛过渡层的EDS图谱。分析发现，经镀镍及热处理后，镍层和T1-6A1-4V合金间形成一层厚度为0.05mm的镍-钛过渡层，对镀镍前Ti_6Al_4V合金表面及镀镍和热处理后镍-钛过渡层进行元素分析可知，镍-钛过渡层中氧含量明显降低，说明该过渡层阻止了氧的扩散，大大减少了喷涂过程中因高温造成的氧化，促进了涂层与基体的结合。镀镍前T1-6A1-4V合金表面和镀镍和热处理后镍-钛过渡层的组成分析结果分别见下面的表1、表2。
[0042]表1
【权利要求】
1.一种用于增强碳化钨涂层与钛合金基体结合强度的方法，其特征在于:所述的方法包括按顺序进行的下列步骤: 1)将T1-6A1-4V合金的表面用细砂纸进行打磨处理，以去除表面氧化层； 2)在pH值为5.6~5.9、温度为43~60°C和阴极电流密度Dk为2.0~IOA.dm—2的条件下对上述打磨后的T1-6A1-4V合金用镀液进行表面镀镍处理，直至形成0.2±0.01mm的镍层； 3)将上述镀镍后的T1-6A1-4V合金在氩气保护下于720°C的温度下进行热处理4h，以促进镍的扩散和镍-钛过渡层的形成； 4)对上述热处理后的T1-6A1-4V合金表面的镍层用细砂纸进行预磨处理，以去除表面氧化层； 5)利用超音速火焰喷涂技术在上述预磨后的T1-6A1-4V合金表面进行喷涂，涂层粉末材料为WC-17CO，直至形成厚度为200-300 μ m的碳化钨涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤2)中的镀液每升中含有179-181g NiSO4.6H20、24-26g NH4Cl 和 29_31g H3BO30
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤5)中超音速火焰喷涂的工艺条件为:以航空煤油为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气，喷涂过程中航空煤油流量为23L/h，氧气流量为55000slph，送粉气流量为12L/min，喷涂距离为380mm，喷涂速度为300mm/s。
【文档编号】C23C4/02GK103589983SQ201310594290
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】王志平, 孙振, 江云飞, 孙波 申请人:中国民航大学