专利名称：一种Fe<sub>n</sub>W<sub>n</sub>C-Co(Y)合金纳米涂层及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面纳米涂层，具体地说，是一种金属基体表面的FenWnC-C0⑴/ Ti合金纳米涂层，采用基于机械激活与激光熔覆复合工艺，可用于钛合金或铝合金表面。
背景技术：
飞机的关键零部件，如发动机叶片等，在服役过程中发生疲劳、磨损等破坏，严重 影响飞机的使用性能。而飞机的零部件发生局部损伤或失效后，主体部分还具有很大的承 载能力。在航空工业中，无论是民用飞机还是军用飞机，关键零部件的修复和再制造都是延 长飞机服役寿命、节能降耗的关键问题。目前国内外对于飞机损伤的关键零部件的修复和 再制造主要采用激光熔覆技术和激光冲击强化技术。激光熔覆不仅能够对超过极限尺寸的 或者有较大裂纹的关键零部件进行修复、恢复尺寸，也能够通过熔覆合金体系设计恢复疲 劳强度、甚至提高疲劳强度。在各种熔覆合金中，W-C-M(M表示Co、Fe、Ni)合金体系由于具有良好的高温强度、 耐磨性以及较低的热膨胀系数，越来越受到关注。但在表面熔覆等非平衡条件下，WC不稳 定，极易发生WC — WnC — WfflMkC的转变，该非平衡条件下的转变，会形成大量的非平衡中间 相。随着飞机零部件的服役，这种不稳定的中间相将继续在内部应力和外部热、力的综合作 用下进一步发生转变，而这种变化将带来合金表面涂层、特别是界面区域热胀系数、物理化 学性质的差异的增大而产生新的应力及表面裂纹，从而导致其断裂和失效。在非平衡条件 下生成的中间产物，如熔覆过程中，涂层与基体界面形成的η相是在WC基体上，由于缺碳 以及过渡元素向基体扩散而形成的，是在非平衡条件下被动形成的脆硬缺碳(低碳)相，该 相不仅形成于涂层制备过程中，也可能析出于高温热处理或高温运行过程，块状n相会降 低焊接接头的弯曲强度、冲击韧性和抗晶间腐蚀能力。现有的研究证实在WC-M体系中，成分η相的形成有很大的影响，通过加入过量C 的方式一定程度上可以抑制n相的形成。通过增加粘结相中同c没有亲和力的元素与同c 有亲和力的元素比例或提高c含量一定程度上能够抑制η相中间产物并有效控制合成进 程。除了 C元素，也发现稀土的加入也有助于抑制η相的形成，在较高的温度下，η相发 生的特定温度区间以及成分比例，提高溶解温度能减少n相的形成；纳米尺度的熔覆合金 能够提高成形和界面结合性能，但也有促进中间n相形成的趋势，研究表明改变成分仅 能抑制n相中间产物，但是很难获得单一的稳定相，温度是另一个重要的因素。根据W2C/ n相体系的演变思路，除了成分、尺度和温度外，改变界面n相形态也能改善材料的性能， 研究表明控制n相在高能晶粒边界界面呈胞状析出、形核，能显著提高材料的高温韧性。目前的研究中，已经提出了平衡条件下通过调节C、稀土、Cr3C2、贫C/贫Co、M/C 等成分手段控制界面n相的形成及形态；或者通过控制合成温度抑制n相等中间相的形 成，实验证明是有效的，基于此背景，本专利提出了通过成分设计(调节C、稀土及平衡态的 FenWnC)、尺度控制(纳米晶)以及温度控制(激光诱导)等多种手段实现高质量的钛合金 表面纳米涂层，从而获得优异的飞机关键零部件表面涂层，提升飞机关键零部件的抗疲劳再制造水平。经对现有技术的文献检索发现，Vreeling J A等在杂志Acta Materialia，2002， 50 :4913 4924 发表的论文“Ti-6Al-4Vstrengthened by laser melt injection of WCp particles”中，提出利用激光处理的方法实现钛合金表面的修复，在熔覆金属与钛合金的 熔合界面，虽然通过WC与Ti的冶金反应生成W和TiC而促进了界面的熔合，但也生成了中 间物W2C,这些非平衡产物在钛合金服役过程中容易产生表面裂纹，引起表面抗疲劳能力下 降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，开发了一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层。本发明还提供了上述合金纳米涂层的制备方法。本发明还提供了上述合金纳米涂层的应用。为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层，η = 3或6，制备该涂层所用的熔覆合金由 FenWnC, Co, Y2O3组成，各组分重量百分比为18 24%、70 76%和6%。制备这种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，包括如下步骤(1)采用机械合金化工艺，将FenWnC合金粉末与Co粉末、Y2O3粉末低速机械混合， 得到FenWnC-Co(Y)合金粉末；混合物中各组分的重量百分比分别为18 24%、70 76% 禾口 5 7% ；低速机械混合的工艺优选为用球磨将FenWnC合金粉末与Co粉末、Y2O3粉末原料 混合2 5hr，球磨直径5 10mm，转速30 50rms，原料与球磨的重量比为20 50 1 ； 磨球材料可选用碳化钨合金(WC)；更优选的，FenWnC合金粉末、Co粉末和Y2O3粉末颗粒的粒径为500nm 1 μ m ；(2)以步骤⑴得到的FenWnC-Co (Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺， 在金属基体表面获得FenWnC-Co (Y)合金纳米涂层；金属基体为钛合金或铝合金；所述的激光熔覆工艺为激光熔覆功率为3 5KW，扫描速度3 10mm. s—1，激光光 斑直径20 50mm，离焦量O 6mm ；保护气体为氮气、氦气或氖气，保护气体流速为0. 3 1. 5L ^mirT1,激光器内压和 保护气压分别为550 600KPa和320 380kPa ；更优选的，宽带熔覆送粉器的转速为10 16r · mirT1 ；工作平台包括CNC工控台 及七轴机器人。步骤(1)中所述的FenWnC合金粉末是一种平衡态的高弹性模量、高强度的复合碳 化物材料，避免了非平衡中间相的形成。通过机械合金化工艺制备，其方法为用球磨将铁 粉、钨粉和石墨态碳粉在氮气、氦气或氩气保护下混合4 30hr，球磨直径5 10mm，转速 300 400rms，原料与球磨的重量比(装料比)为20 50 1 ；磨球材料可选用钨化钨 (WC)；铁粉、钨粉和石墨态碳粉的摩尔比为2 1 1.2 1.5，颗粒粒径为50011111 111111。本发明的FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层可用于钛合金或铝合金等表面处理，可修复 钛合金表面裂纹，用于制备和修复航空发动机叶片。
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本发明解决了目前飞机关键零部件表面修复或再制造过程中，由于现有的熔覆合 金的强化相通常是以不稳定的WC为主，在非平衡状态的制备条件下，以及激光熔覆界面的 非平衡热加工行为中，容易引起的表面裂纹甚至失效的问题。本发明通过采用机械合金化与激光熔覆的复合工艺，通过稳定的高弹性模量、高 强度的复合碳化物材料FenWnC和粘结相Co的引入，根据机械合金化以及激光熔覆的复合工 艺，熔覆层组织主要包括平衡态的Fe具C、部分Fe6W6C和微量C，无中间相W2C,熔覆层达到纳 米尺度，在熔覆层与钛合金界面区域组织的长大也不明显，所述工艺不仅适用于在合格尺 寸范围和微小裂纹损伤的飞机关键零部件的修复，而且适合于表面较大范围损伤后的修复 及尺寸恢复，以及超过极限尺寸和较大裂纹的关键零部件的尺寸恢复及修复，且不需要预 热和后热，大大提高飞机关键零部件表面抗疲劳的水平。
图1为机械激活后FenWnC合金XRD主要相组成图2为激光熔覆层Fe3W3C (Fe6W6C) -Co基组织的透射电镜图(TEM)
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明实施例1选择厚度为4mm的航空工业用Ti_6Al_4V钛合金作为基体材料，在此基体上制备 FenffnC-Co(Y)/Ti合金纳米涂层，制备步骤如下第一步，制备平衡态的熔覆合金，得到FenWnC-Co (Y)合金粉末(1)首先将Fe、W、石墨态的C粉末混合后通过机械合金化的方法来机械激活，Fe、 W、C的重量百分比为37. 23%、60%、2. 77% (三者摩尔比约为2 1 1.4)，其粉末FSSS 粒度为700nm ；机械激活工艺为，球磨转速400rps ；球磨时间20hr ；磨球材料WC ；装料 比20 1 ；磨球直径5mm ；利用氮气保护；得到FenWnC, η = 3或6 ；经检测，熔覆合金经过机械激活后，主要包括平衡态的Fe3W3C、部分Fe6W6C和微量 C ；机械激活后的合金XRD相分析结果如附图1所示，从结果可知，在机械激活Ihr后，相没 有发生变化，主要为W、Fe和C ；当机械激活20hr后，合金发生完全转变，主要包含Fe3W3C和 f θ g wg C ο(2)其次，将合成的FenWnC与Co粉末、Y2O3粉末混合，重量百分比为20%、74%和 6% ；其粉末FSSS粒度为700nm ；在低速下机械混合，获得FenWnC-Co (Y)合金；低速混合工艺 为，球磨转速30rps ；球磨时间5hr ；磨球材料WC ；装料比50 1 ；磨球直径10mm。第二步，钛合金表面纳米涂层制备，制备过程为以FenWnC-Co(Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺，在钛合金表面获得 FenWnC-Co (Y) /Ti合金纳米复合涂层。激光熔覆工艺六轴机器人带动CO2激光器提供激光热源，将Ti-6A1_4V钛合金 置于CNC工控台上，激光熔覆功率5kW ；扫描速度8mm · s—1 ；激光束形状宽带激光(光斑 直径25mm)；离焦量4mm ；保护气体为纯He气；激光器内压和保护气压分别为588kPa和 352kPa ；气体流量 1. 4L · mirT1。
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熔覆合金通过宽带熔覆送粉器自动送粉，带熔覆送粉器的转速为12r · mirT1。经过低速混合后，相没有发生本质变化，以Co为基体，Fe3W3C、Fe6W6C为主要强化相 以及少量Y2O3 ；在钛合金表面激光熔覆后，熔覆层为Fe3W3C (Fe6W6C) -Co基组织，界面组织有 长大的趋势，检测到少量TiC，没有发现中间相W2C。熔覆层透射电镜分析如附图2所示，从 图中可以看出，其主要结构是Co基以及强化相Fe3W3C(Fe6W6C)。
权利要求
一种制备FenWnC Co(Y)合金纳米涂层的方法，n＝3或6，其特征在于，包括如下步骤(1)将FenWnC合金粉末与Co粉末、Y2O3粉末低速机械混合，得到FenWnC Co(Y)合金粉末；混合物中各组分的重量百分比分别为18～24％、70～76％和5～7％；(2)以步骤(1)得到的FenWnC Co(Y)合金粉末作为熔覆合金，利用激光熔覆工艺，在金属基体表面获得FenWnC Co(Y)合金纳米复合涂层；所述的激光熔覆工艺为激光熔覆功率为3～5KW，扫描速度3～10mm.s 1，激光光斑直径20～50mm，离焦量0～6mm；保护气体为氮气、氦气或氖气。
2.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，所述的金属 基体为钛合金或铝合金。
3.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中所 述的低速机械混合的工艺为用球磨将FenWnC合金粉末与Co粉末、Y2O3粉末原料混合2 5hr，球磨直径5 10mm，转速30 50rms，原料与球磨的重量比为20 50 1。
4.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中 所述FenWnC合金粉末、Co粉末和Y2O3粉末颗粒的粒径为500nm 1 μ m。
5.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中 所述的保护气体流速为0. 3 1. 5L ^irT1,激光器内压和保护气压分别为550 600kPa和 320 380kPa。
6.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中 宽带熔覆送粉器的转速为10 16r · mirT1。
7.权利要求1所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，所述FenWnC 合金粉末通过机械合金化工艺制备，其方法为用球磨将铁粉、钨粉和石墨态碳粉在氮气、 氦气或氩气保护下混合4 30hr，球磨直径5 10mm，转速300 400rms，原料与球磨的重 量比为20 50 1 ；铁粉、钨粉和石墨态碳粉的摩尔比为2 1 1.2 1.5。
8.权利要求7所述制备FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层的方法，其特征在于，所述铁粉、钨 粉和石墨态碳粉的颗粒粒径为500nm 1 μ m。
9.一种FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层，其特征在于，通过权利要求1 8所述的方法制备。
10.权利要求9所述FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层在制备和修复航空发动机叶片方面的应用。
全文摘要
本发明涉及一种金属基体表面的FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层，采用基于机械激活与激光熔覆复合工艺，在金属基体，如钛合金或铝合金等表面获得FenWnC-Co(Y)合金纳米涂层，可修复钛合金表面裂纹，用于制备和修复航空发动机叶片。
文档编号B23K26/12GK101928939SQ20101026604
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者任江伟, 徐培全, 杨尚磊, 邓沛然, 龚红英 申请人:上海工程技术大学