一种通过纳米化因子使钛合金激光沉积层纳米化的方法
【专利说明】一种通过纳米化因子使钛合金激光沉积层纳米化的方法
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技术领域
[0002]本发明涉及一种实现钛合金表面激光熔化沉积层纳米化的方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种利用Zn-SiC纳米化因子在氩气环境下使钛合金基材表面Stellite 21基激光熔化沉积层纳米化的方法。
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【背景技术】
[0004]钛合金具有高比模量、高比强以及优异耐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天等重要工业领域。激光熔化沉积层中产生的纳米颗粒因其特殊的结构和尺寸效应，而具有一般材料难以获得的优异性能，如高耐磨性和耐高温氧化性等。Stellite 21粉末是一种高硬度的镍铬硼硅铁合金粉末，具有自熔性与润湿性优良且熔点较低等特性，其激光熔化沉积层具有硬度高、高耐蚀、耐磨及耐热等特点；适量陶瓷相加入可显著提高Ni60A基激光熔化沉积层的硬度与耐磨性能。由于Stellite 21粉末所包含的Ni与γ-Fe同为面心立方晶格结构，可无限互溶；Ni优先与γ-Fe形成固溶体晶核，晶核不断从处于熔融状态的熔池中吸收大量Ni原子而长大，并使大量Ni元素发生聚集，在熔合区形成富Ni网状γ - (Fe,Ni)奥氏体相，利于提升沉积层的塑韧性。Stellite合金，即通常所说的CoCrW(Mo)合金或钴基合金，是一种耐磨损和抗高温氧化的硬质合金。将适量Stellite加入激光熔化沉积层中，该层将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨及耐热等诸多优点。Zn对StelIite基激光沉积层的纳米化过程，是利用Zn在激光恪池中原位生成诸如Co5Zn21& CoCr等纳米颗粒来极大抑制其它晶化相长大过程，也是大量纳米晶生成的过程，该类纳米晶在高温熔池中具有极高的扩散率，易引发晶格畸变，使激光沉积层发生非晶化转变；SiC陶瓷相产生可显著细化激光沉积层晶界处的网状共晶组织。
[0005]由于熔化沉积过程中熔池各部位受热不均匀，许多细小的陶瓷相无法充分熔化而成为晶体结晶的形核点，利于细化层组织。激光熔化沉积过程中，大量具有小原子半径的非金属元素，如S1、C等元素因熔化沉积粉末熔化或基材的稀释作用而进入熔池，增加了原子的堆垛密度，利于增强过冷液相的稳定性，促使非晶相在层中产生。因激光辐射所产生熔池具有急冷特性，因此非晶相产生过程利于纳米晶的产生；另外，在激光熔化沉积过程中，由于基材对熔池的稀释作用，大量Al、T1、Mo、V、Zr元素由基材进入熔池，可显著改善层的耐磨性。Mo、Zr、V均属于强碳化物形成元素，熔化沉积过程中所生成的碳化物稳定且不易长大，质点细小，可有效阻止晶界移动并细化组织结构。
[0006]基于上述科学原理，本发明提出了一种能够降低生产成本，使钛合金激光熔化沉积层纳米化的处理方法。现有钛合金表面激光处理使用的预置粉末为Stellite21-TiC-Zn-SiC，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆于钛合金表面，而后进行激光熔化沉积；Stellite 21具有极强的玻璃形成能力，Co与Ni元素进入熔池利于非晶相产生。
[0007]扫描电镜照片表明，氩气环境下产生的Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉积层的组织结构均匀，无裂纹及气孔产生(见图1a);图1b所示为纳米化因子作用下沉积层中催生出的大量纳米化颗粒形貌。Zn-SiC添加到激光熔化沉积层的目的是为通过化学反应使沉积层呈纳米化结构，从而达到提升钛合金表面耐磨损性的目的。
[0008]采用MM200磨损试验机测定梯度复合材料的抗磨性能。选用尺寸为Φ40Χ 12的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷为5 kg。图2显示了氩气环境中产生的Stellite21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉积层的磨损量，该沉积层的磨损量约为钛合金基材的1/15，为未加入Zn-SiC纳米化因子激光熔化沉积层的1/2。
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【发明内容】
[0010]本发明通过Zn-SiC纳米化因子的引入诱导钛合金激光熔化沉积层纳米化，从而改善其表面形貌并提升钛合金表面耐磨性。该技术可应用于金属零部件制造等诸多方面。
[0011]具体步骤:
(1)将一定质量比例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匀调成糊状；
(2)将糊状混合粉末均勾涂敷于钛合金表面，层厚度0.1?2.6 mm,自然风干；
(3)用激光束对上述预置层的试样表面进行激光熔化沉积，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒。工艺参数:激光功率260?4100 W，扫描速度0.5?25mm/s，光斑直径0.5?8 mm，氩气保护气压0.1?1.2 MPa。本发明能够获得显微硬度显著提高的钛合金表面激光熔化沉积纳米化层。
[0012]在混合粉末涂覆之前可清理钛合金表面，并拭净、吹干。
[0013]所述步骤(I)中的水玻璃溶液的模数为1.2?5.4。
[0014]步骤(2)所述钛合金可为TA15\TC17\TC4\TA2牌号。
[0015]步骤(2)所述混合粉末中，各成分及其质量分数:TiC3%_38%，Znl%_12%，SiC8%-16%，余量 Stellite 21。其中 Stellite 21 名义化学成分:C0.25，Cr27.00，Sil.00，W0.15，Fe2.00，Μο5.50，Ni3.00，Mnl.00，余为 Co。
[0016]本发明在氩气保护气条件下激光熔化沉积过程中，试样保持原有运动速度不变。试样表面完全激光熔化沉积后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。后关闭保护气的目的是为对试样表面进行充分保护。
[0017]本发明能够获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金激光纳米化层。有工艺简单方便、适用性强、便于推广应用等优点。
[0018]
【附图说明】
图1是Stellite 21_TiC-Zn_SiC激光熔化沉积层的宏观SEM像(a)；微观纳米颗粒像(b)。
图2是氩气环境中Stellite 21_TiC-Zn_SiC、Stellite 21_TiC激光熔化沉积层与TC17钛合金的磨损体积图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1:
将TC17合金切成长度10 mm、宽度35 mm、厚度10 mm的正方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后将质量分数77%Stellite 21、10%TiC、3%Zn、10%SiC的混合粉末激光恪化沉积于其10 mmX35 mm面上。
[0020]具体工艺步骤:
(1)在激光沉积之前，用120号砂纸打磨TC17钛合金待激光处理表面，使其表面粗糙度达Ra 2.5 y m;然后用体积百分比25%硫酸水溶液对待激光处理表面进行清洗，酸洗时间5?10 min ;酸洗后，用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
(2)用玻璃试管配置20ml的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1:3，即量取5 ml的纯水玻璃和15 ml的水，在玻璃试管内搅拌均匀；
(3)在天平上分别称取Stellite21合金粉0.77 g、TiC粉0.10g、Zn粉0.03g，SiC粉0.10g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数1.1?3.6的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。Stellite 21基底粉末尺寸50?100 μm，TiC、Zn、SiC粉末尺寸40 μπι?110 μ m ；
(4)将糊状混合粉末均匀地涂敷于钛合金表面，层厚0.7 _，自然风干；
(5)用激光束对上述玻璃容器中的试样表面进行激光沉积处理；工艺参数:激光功率800W，扫描速度6 mm/s，光斑直径4 mm，氩气保护气压0.4 MPa ；
(6)将试样放置于正对着激光发射口的位置。位置调整好之后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器发射口拉开一定的距离，然后让试样向激光喷口以6 mm/s速度匀速运动。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器，试样表面发生激光熔化沉积。试样表面完全激光熔化沉积后，将激光关闭，两秒钟后将保护气体关闭。激光处理完成后，Stellite 21-TiC-Zn-SiC激光熔化沉积层的磨损体积约为TC17基材的1/16。
【主权项】
1.一种纳米化因子作用下钛合金激光熔化沉积层纳米化的方法: (1)将一定质量比例Stellite21-Ti C-Zn-Si C混合粉末用水玻璃溶液(Na20.nSi02)均匀调成糊状；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 ;后将糊状混合粉末均匀地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2牌号钛合金表面，自然风干； (2)将糊状混合粉末均匀地涂敷在TA15\TC17\TC4\TA2钛合金表面，层厚0.1?2.6mm ； (3)用激光束对上述钛合金试样表面进行激光熔化沉积，激光束垂直扫描过程中侧向同轴吹送氩气保护熔池及镜筒；工艺参数:激光功率260?4100 W，扫描速度0.5?25 mm/s，光斑直径0.5?8 mm，氩气保护气压0.1?1.2 MPa02.根据权利要求1所述的使TA15\TC17\TC4\TA2钛合金激光熔化沉积层纳米化的方法，其特征是，步骤(I)所述的混合粉末中，各成分质量分数:TiC3%-38%，Znl%-12%,SiC8%-16%，余量 Stellite 21。
【专利摘要】本发明公开了一种用化学方法制备纳米化激光熔化沉积复合材料的方法。步骤如下：将一定质量比例Stellite 21基底粉末、TiC、Zn-SiC混合粉末用水玻璃均匀调成糊状。Stellite 21尺寸1～220 μm、TiC尺寸1～180 μm，Zn-SiC为纳米化因子，尺寸10～220 μm。将糊状混合粉末均匀涂敷于钛合金表面，层厚0.1～2.6 mm，自然风干。用激光束对上述钛合金试样表面进行激光处理。工艺参数：激光功率260～4100 W，扫描速度0.5～25 mm/s，光斑直径0.5～8 mm，氩气保护气压0.1～1.2 MPa。本发明能够获得耐磨性显著提高的纳米化激光熔化沉积层。
【IPC分类】C23C24/10, C22C32/00, C22C19/07
【公开号】CN104988493
【申请号】CN201510279059
【发明人】李嘉宁, 张元彬, 霍玉双, 罗辉, 刘鹏, 石磊
【申请人】山东建筑大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月28日