钛合金表面形成的耐磨-耐高温涂层及其实现方法

文档序号:9781299阅读:1014来源:国知局
钛合金表面形成的耐磨-耐高温涂层及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种合金表面处理领域的技术,具体是一种铁合金表面形成的耐 磨-耐高溫涂层及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 在航空、航天、交通运输业和机器制造业中广泛运用铁合金零件。纯铁有两个同素 异晶体:在882.5°C W下为密排六方晶格,称为a-Ti ; 882.5°C W上为体屯、立方晶格,称为β- Ti,i3-Ti的耐热性较差,但工艺塑性较好,易于锻造。铁及其合金有高的比强度(强度/密度) 和优异的耐蚀性能;不足的是具有粘附硬化倾向,W致导致摩擦破坏,甚至从摩擦表面撕下 一块。尽管铁合金耐热性能较好,但超过500~600°C,其耐热性能就黯然失色,限制了它在 摩擦组件上的应用。为了避免铁合金在500°CW上溫度下氧化并提高其耐磨性能,人们想出 很多办法,如采用表面涂层办法,使表面经受微电弧氧化处理,甚至经过气热处理、电锻和 专用电容能量和其它贵重装置中爆炸强化。
[0003] 经过对现有技术的检索发现,中国专利文献号CN104972188A,公开(公告)日 2015.10.14,公开了一种利用电火花进行铁合金表面改性的方法,包括漏斗,特征在于:将 待加工的铁合金冷却至-100~-80°C,用化基SiC复合电极在煤油中对振动的铁合金工件进 行电火花加工,电火花的放电电流为3~6A,脉冲宽度为60~90ys,脉冲间隔为5~7s;煤油 还混匀有粒径为3~扣m的Si粉。但该技术无法解决铁合金耐热问题,且硬度提高有限,耐磨 也难W满足工业上的需要;此外,该技术在煤油中释放电火花的操作方式会造成对环境污 染;并且其操作溫度从-80~1165°C,溫度跨度之大将直接导致实施设备的复杂化,为工艺 的大规模推广实施带来困难。
[0004] 中国专利文献号〔化030315094,公开(公告)日2013.04.10,公开了一种采用高频 脉冲离子弧技术强化铁合金表面的方法,该方法采用2000化的高频脉冲离子弧技术,WWC 作为强化电极,在铁合金表面制备TiC强化层。强化层厚度可达0.05mm。但该技术对铁合金 表面耐磨性能没能达到最佳状态,仅仅只使用WC-种材料作为强化电极;并且没能解决铁 合金表面耐热问题。

【发明内容】

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种铁合金表面形成的耐磨-耐高溫 涂层及其实现方法,从矿物原料中选择有效和便宜的电极材料,用电火花烙炼方法给铁合 金表面施W耐磨-耐热涂层。
[0006] 本发明是通过W下技术方案实现的:
[0007] 本发明采用电极材料分别为为llCrl5Ni25Mo6NMn2、纯侣、硬质合金YT15、YD10或 用侣热法获得合金W-Cr-Co,在TA15、TC6或TC1的铁合金表面通过电火花烙炼方式实现表面 涂层的制备。
[000引所述的铁合金表面优选经机械加工并磨削到表面粗糖度Ra = 0.8~1.2皿。
[0009] 所述的铁合金表面进一步优选涂W厚15~25μπι的附加铜涂层。
[0010] 所述的电火花烙炼,其采用的连续脉冲频率为400~500Hz,单位脉冲能量为0.18 ~0.32J,脉冲持续时间为40~lOOys。
[0011] 所述的方法具体包括W下步骤:
[0012] 步骤1)由铁合金板材TA15、TC6或TC1经机械加工并磨削到表面粗糖度Ra = 0.8~ 1.2皿,作为阴极;
[0013] 步骤2)使用输出能量为0.09~1.21J,电流强度为0.5~2.8A的电火花烙炼机,首 先在阴极表面涂W铜涂层,厚15~25μπι;然后设置阳极分别为为合金钢电极 llCrl5Ni25Mo6NMn2、侣、硬质合金YT15、YD10或用侣热法获得合金W-Cr-Co。
[0014] 步骤3)采用电火花烙炼装置,设置电火花烙炼过程能量换算参数Wnd为8.2~ 9.化j/cm2,单位脉冲能量0.18~0.32 j,连续脉冲频率为400~500Hz,脉冲持续时间40~ 10化S,从而在祀材表面烙炼一层薄膜。
[0015] 所述的电火花烙炼过程能量换算参数,即在形成均匀涂层和随后多层涂层最终烙 炼过程对应的工艺参数值
庚中:C为系数,τ为脉冲持续时间,X为W下一元Ξ次 方程的立个解中的单调有效立方方程根:χ3-3 (2+Bf Ρ)抖3 (1 +Bf Ρ) x+Bf Ρ- (Bf Ρ)3 = 0,该方程 的其余两个解为无效虚数;fp为火花放电脉冲频率,B为脉冲时间间隔系数。
[0016] 所述的电火花烙炼装置,包括:相对设置于真空室内的阴极和祀材,W及设置于阴 极和祀材之间的阳极。
[0017] 所述的真空室外部设有电磁块。
[0018] 本发明设及一种根据上述方法制备得到的耐磨-耐高溫涂层,其厚度为28~90μ km,粗糖度为0.8~3.化km,密实度为62~100 %。
[0019] 所述涂层的显微硬度为355~1642MPa,强度系数为1~4.05,迁移材料系数为0.22 ~0.78。
【附图说明】
[0020] 图1为电火花烙炼法过程示意图;
[0021] 图中:1为阴极、2为阳极、3为采集器、4为真空室、5为阴极等离子体、6为阳极等离 子、7为电磁块、8为等离子体源、9为祀材;
[0022] 图2是典型的阴极Σ Ak和阳极Σ Δ3重量变化与能量转移值Wn关系示意图;
[0023] 图中:tx为烙炼层脆性破坏限度(Π 坎)、Τχ为表面层破坏的临界限度、Wnx为脆性破 坏的能量限度、Wnd为推荐最终电火花烙炼过程能量换算;a为阴极、b为阳极。
【具体实施方式】
[0024] 如图1所示,为本实施例采用的电火花烙炼装置,相对设置于真空室4内的阴极1和 祀材9, W及设置于阴极1和祀材9之间的阳极2。
[0025] 所述的真空室4外部设有电磁块7。
[00%]本实施例分别由铁合金TA15、TC6、TC1取出试样,机械加工并磨削到表面粗糖度Ra =0.8~1.2皿。电火花烙炼电极材料依次为1 lCrl5Ni25Mo6NMn2、纯侣、硬质合金YT15、YD10 用侣热法获得合金w-化-Co。
[0027] 由运些材料形成均匀涂层。为了沿涂层厚度保证在d〇x/dz>0条件下力学性能的 增加(Οχ为切平面方向上的破坏应力,Z为垂直切平面坐标),由电火花烙炼法施W合金钢涂 层llCrl5Ni25Mo6NMn2和硬质合金YT15、YD10及合金W-Cr-Co之前,涂W厚15~2如km附加铜 涂层。
[0028] 在电火花烙炼动力学研究条件下,确定了正极单位腐蚀Δ a和负极单位增量Δ k与 时间关系。也就是花费在试样1cm2面积上所消耗标准能量。在运样情况下,过程的工艺参数 主导能量消耗数值Wn,即消耗在烙炼1cm2涂层能量。为了每一个装置规范工作和使用电极 畐IJ,按照单个脉冲平均能量值Wp确定Wn值。单个脉冲平均能量按照从示波器C8-17获得在极 间距电压电流的波形图直接计算。所给出的能量数值计算为:Wn = WpNp t = Wp ( 60f ρΚρ ) t,其 中:Np为在1分钟内的平均脉冲数、t为烙炼1cm嗦面积所需时间、fp为随后火花放电脉冲频 率、Κρ = Np/f P为确定火花脉冲传输概率系数。
[0029] 单个阳极浸蚀值Δ a和单个阴极增量Δ k按照重力测定方法:通过电火花烙炼每分 钟过程,使用精确到0.000?测重仪,据阳极浸蚀计算总和值(为ΣΔ3)和总的阴极增量Σ Ak。材料迁移系数Κ=δ·7Δ3确定了在固定时间内每个电极材料的烙炼。
[0030] 典型的阴极Σ Ak和阳极Σ Δ3重量变化取决于转移能量值Wn(对应规定涂层厚度h 输送能量值),考虑烙炼1cm2表面积所需时间换算,示于图2
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