专利名称：用于钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法
技术领域：
本发明涉及一种在钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆的方法，属于材料表面强化技术领域。
背景技术：
钛合金具有高比强，高比模量和优异耐蚀性等特点，已被广泛应用于航空航天等领域。但钛合金的表面耐磨性差，限制了其潜能的发挥。激光熔覆技术可以修复各种失效的零件，如航空发动机叶片等。采用激光技术熔覆陶瓷涂层或陶瓷颗粒增强的复合材料涂层是提高钛合金表面耐磨性能有效途径，可使激光熔覆层与钛合金基体结合起来，形成具有良好强韧性的激光熔覆层。目前在钛合金表面激光熔覆的合金系主要是镍基、钴基，由于钴基、镍基等属于国防战略材料，其生产成本高，且镍基涂层的缺陷如气孔、裂纹较多。本发明目的是研究在TA2钛合金表面激光熔覆其他合金系，从而达到强化钛合金表面的目的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够降低生产成本、增强钛合金表面硬度与耐磨性的钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法。本发明中的用于钛合金表面激光熔覆的材料所采用的技术方案是一种用于钛合金表面激光熔覆的材料，其特殊之处是它是由Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合而成，其质量比为=Fe3Al粉占63% 86%，TiC-TiB2粉末占14% 37%。为了进一步增强钛合金表面的硬度与耐磨性，所述的TiC-TiB2粉末中的TiC和TiB2的质量分数比例为 1:1。本发明中的Fe3Al在激光熔覆时，部分Fe3Al会分解出Fe与Al，Al可与激光熔池中的Ti发生化学反应，生成Ti3Al或TiAl，从而大大增强钛合金表面的显微硬度与耐磨性能。而加入的TiC-TiB2粒子可进一步增强钛合金表面的显微硬度与耐磨性，这对于钛合金表面的强化具有重要的作用。本发明的激光熔覆方法所采用的技术方案是一种钛合金表面激光熔覆方法，其包括如下步骤( I)清理钛合金表面，并拭净、吹干；(2)用水玻璃溶液将Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合均匀调成糊状，所述Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末的质量比为=Fe3Al粉占63% 86%，TiC-TiB2 粉末占 14% 37% ；(3)将上述的糊状混合物粉末涂敷在钛合金基体表面上，自然风干；(4)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率O. 9-1. 5 kff,扫描速度2. 5 7. 5 mm/s，光斑直径2 6 mm，氩气保护气压为O. 3MPa。所述步骤(3)中的涂层厚度为O. 4 1. 3 mm ;所述的TiC-TiB2粉末中的TiC和TiB2的质量分数比例为1:1。所述Fe3Al粉的粒度为10目-300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10目-300目。所述水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1 :3。所述步骤(I)中的清理钛合金表面包括先进行机械清理然后进行化学清理，所述机械清理是用金相砂纸打磨钛合金的待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra1. 6 6. 4 μ m ;所述化学清理是采用体积百分比为10%的硫酸或10% 15%盐酸水溶液对钛合金待熔表面进行清洗，酸洗时间为5 10 min.本发明在钛合金表面上激光熔覆Fe3Al和TiC-TiB2陶瓷硬质相，是通过激光熔覆工艺完成的。在激光熔覆中，激光熔覆层中的部分Fe3Al会分解出Fe与A1，A1可与激光熔池中的Ti发生化学反应，生成Ti3Al或TiAl，从而大大增强钛合金表面的显微硬度与耐磨性能。在激光熔覆中，TiC-TiB2陶瓷颗粒相的加入，使熔覆层中硬质相的数量增加，使熔覆层的硬度和耐磨性大幅度提高，这对于钛合金表面的强化具有重要的作用。本发明中激光熔覆层的组织细密而均匀，并分布着大量的陶瓷硬质相，因而熔覆层的硬度较高。通过激光熔覆，熔覆层的硬度比钛合金基体的硬度提高了 3 4倍。本发明的有益效果是本发明通过在钛合金表面激光熔覆Fe3Al和TiC-TiB2陶瓷硬质相不仅能够获得硬度和耐磨性显著提高的钛合金表面强化涂层，而且由于所采用的Fe3Al较钴基、镍基等合金系价格便宜，可将生产成本降低30% 40%。此外，本发明采用的激光熔覆工艺是一种快速制造技术，相比传统的电弧熔覆等方法，可以缩短生产周期约80%。本发明还有工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。
具体实施方式
`下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明实施例1在长度为30臟、宽度为10mm、厚度为9mm的长方形TA2钛合金表面上，将质量分数为72%的Fe3Al粉与质量分数为28%的TiC-TiB2陶瓷硬质相混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)在激光熔覆之前，用240号砂纸打磨TA2钛合金待激光熔覆的表面，使其表面粗糙度达到Ra 2. 5 μ m ;然后用体积百分比为10%硫酸水溶液对待激光熔覆表面进行清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，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毫升的纯水玻璃和15毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀。(3)在天平上称取Fe3Al粉末O. 72克，TiC-TiB2粉末O. 28克，将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在钛合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率O. 9 kff,扫描速度2. 5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。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，然后尽快让试样向激光喷口以2. 5 mm/s速度勻速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面完全发生完激光熔覆反应后，将激光关闭，再过一秒钟以后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了是使保护气对试样表面进行充分的保护。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1150-1300 HV0.2；激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/4。
本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。实施例2在长度为30mm、宽度为10mm、厚度为9mm的长方形TA2钛合金表面上，将质量分数为63%的Fe3Al粉与质量分数为37%的TiC-TiB2陶瓷硬质相混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)在激光熔覆之前，用240号砂纸打磨TA2钛合金待激光熔覆的表面，使其表面粗糙度达到Ra1. 6 μ m ;然后用体积百分比为10%硫酸水溶液对待激光熔覆表面进行清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，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毫升的纯水玻璃和15毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀。(3)在天平上称取Fe3Al粉末O. 63克，TiC-TiB2粉末O. 37克，将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在钛合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为
O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率I kw，扫描速度3mm/s，光斑直径2_，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。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，然后尽快让试样向激光喷口以3 mm/s速度匀速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面完全发生完激光熔覆反应后，将激光关闭，再过一秒钟以后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了是使保护气对试样表面进行充分的保护。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1150-1300 HV0.2；激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/4。本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。实施例3在长度为30臟、宽度为10mm、厚度为9mm的长方形TA2钛合金表面上，将质量分数为86%的Fe3Al粉与质量分数为14%的TiC-TiB2陶瓷硬质相混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)在激光熔覆之前，用240号砂纸打磨TA2钛合金待激光熔覆的表面，使其表面粗糙度达到Ra 6. 4 μ m ;然后用体积百分比为10%硫酸水溶液对待激光熔覆表面进行清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，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毫升的纯水玻璃和15毫升的水，在玻璃试管内搅拌均匀。(3)在天平上称取Fe3Al粉末O. 86克，TiC-TiB2粉末O. 14克，将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在钛合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为
O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预 涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率1. 5 kff,扫描速度5mm/s，光斑直径5mm，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。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，然后尽快让试样向激光喷口以5 mm/s速度匀速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。当试样将要运动到激光发射口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面完全发生完激光熔覆反应后，将激光关闭，再过一秒钟以后将保护气关闭，后关闭保护气的原因是为了是使保护气对试样表面进行充分的保护。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1350-1400 HV0.2；激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/6。本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。实施例4在长度和宽度均为40mm，厚度为IOmm的TA2钛合金平板上，将质量分数为85%的Fe3Al粉与质量分数为15%的TiC-TiB2混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)激光熔覆前在TA2钛合金用240号砂纸打磨待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra 2. 6 μ m ;然后用体积百分比为10% 15%盐酸水溶液对待熔覆工件表面的清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1:3。(3)在天平上称取Fe3Al粉O. 85克，TiC-TiB2粉末O. 15克。将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为
O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率1. 4 kff,扫描速度7. 5mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。位置调整好之后，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喷口拉开一定距离，然后尽快让试样向激光喷口方向以7. 5 mm/s速度勻速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。试样将要运动到激光喷口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面激光熔覆完全发生后，将激光关闭，一秒钟后将保护气体关闭。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1350-1400HVa2。激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/6。本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。实施例5 在长度和宽度均为40mm，厚度为IOmm的TA2钛合金平板上，将质量分数为64%的Fe3Al粉与质量分数为36%的TiC-TiB2混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)激光熔覆前在TA2钛合金用240号砂纸打磨待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra 2. 5 μ m ;然后用体积百分比为10% 15%盐酸水溶液对待熔覆工件表面的清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1:3。(3)在天平上称取Fe3Al粉O. 64克，TiC-TiB2粉末O. 36克。将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为
O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率1. 2kff,扫描速度5mm/s，光斑直径2mm，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。位置调整好之后，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喷口拉开一定距离，然后尽快让试样向激光喷口方向以5 mm/s速度勻速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。试样将要运动到激光喷口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面激光熔覆完全发生后，将激光关闭，一秒钟后将保护气体关闭。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1150-1300 HV0.20激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/4。本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。实施例6在长度和宽度均为40mm，厚度为IOmm的TA2钛合金平板上，将质量分数为80%的Fe3Al粉与质量分数为20%的TiC-TiB2混合粉末激光熔覆在钛合金表面，所述Fe3Al粉的粒度为10 300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10 300目，所述的TiC-TiB2陶瓷硬质相中的TiC和TiB2的质量分数比例可采用任何比例，但TiC和TiB2的质量分数比例最好为1:1。具体工艺步骤如下(I)激光熔覆前在TA2钛合金用240号砂纸打磨待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra 2. 6 μ m ;然后用体积百分比为10% 15%盐酸水溶液对待熔覆工件表面的清洗，酸洗时间为5 IOmin ;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20毫升的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1:3。(3)在天平上称取Fe3Al粉O. 8克，TiC-TiB2粉末O. 2克。将混合粉末倒入小烧杯中，滴入3-4滴已配置好的水玻璃溶液，用玻璃棒均匀搅拌成糊状。(4)用玻璃棒将糊状混合物均匀涂敷在合金待熔表面，自然风干。涂层厚度为
O.4 L 3 mm。(5)用激光束对预涂Fe`3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送IS气保护，同时同轴吹送IS气以保护镜筒，工艺参数为激光功率1. 2kff,扫描速度6mm/s，光斑直径4mm，氩气保护气压为O. 3MPa。具体步骤是将晾干的试样放置在正对着激光发射口，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。位置调整好之后，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喷口拉开一定距离，然后尽快让试样向激光喷口方向以6 mm/s速度勻速运动。在试样将要运动到保护气口时，提前开启保护气。试样将要运动到激光喷口时，提前开启激光发射器。随后在保护气的保护下，试样表面发生激光熔覆。试样表面激光熔覆完全发生后，将激光关闭，一秒钟后将保护气体关闭。激光熔覆后，试样表面硬度可以达到1350-1400 HV0.2；激光熔覆层的磨损体积为TA2基体的1/6。本实施例中的其他部分采用现有技术，在此不再赘述。
权利要求
1.一种用于钛合金表面激光熔覆的材料，其特征是它是由Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合而成，其质量比为=Fe3Al粉占63% 86%，TiC_TiB2粉末占14% 37%。
2.根据权利要求1所述的用于钛合金表面激光熔覆的材料，其特征是所述的TiC-TiB2粉末中的TiC和TiB2的质量分数比例为1:1。
3.一种钛合金表面激光熔覆方法，其特征是包括如下步骤 (1)清理钛合金表面,并拭净、吹干； (2)用水玻璃溶液将Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合均匀调成糊状，所述Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末的质量比为=Fe3Al粉占63% 86%，TiC-TiB2粉末占14% 37% ； (3)将上述的糊状混合物粉末涂敷在钛合金基体表面上，自然风干； (4)用激光束对预涂Fe3Al和TiC-TiB2混合物粉末的钛合金表面进行激光熔覆，激光束垂直扫描并在扫描过程中侧向吹送氩气保护，同时同轴吹送氩气以保护镜筒，工艺参数为激光功率O. 9-1. 5 kff,扫描速度2. 5 7. 5 mm/s，光斑直径2 6 mm,氩气保护气压为 O. 3MPa。
4.根据权利要求3所述的钛合金表面激光熔覆方法，其特征是所述步骤(3)中的涂层厚度为O. 4 1. 3 mm。
5.根据权利要求3所述的钛合金表面激光熔覆方法，其特征是所述的TiC-TiB2粉末中的TiC和TiB2的质量分数比例为1:1。
6.根据权利要求3或4或5所述的钛合金表面激光熔覆方法，其特征是所述Fe3Al粉的粒度为10目-300目，TiC-TiB2粉末的粒度为10目-300目。
7.根据权利要求3或4或5所述的钛合金表面激光熔覆方法，其特征是所述水玻璃溶液中的纯水玻璃与水的体积配置比例为1 :3。
8.根据权利要求3或4或5所述的钛合金表面激光熔覆方法，其特征是所述步骤(I)中的清理钛合金表面包括先进行机械清理然后进行化学清理，所述机械清理是用金相砂纸打磨钛合金的待熔表面，使其表面粗糙度达到Ra1. 6 6. 4 μ m ;所述化学清理是采用体积百分比为10%的硫酸或10% 15%盐酸水溶液对钛合金待熔表面进行清洗，酸洗时间为5 。10 min0
全文摘要
本发明公开了一种用于钛合金表面激光熔覆的材料及激光熔覆方法，属于材料表面强化技术领域。用于钛合金表面激光熔覆的材料，它是由Fe3Al粉末和TiC-TiB2陶瓷硬质相粉末按比例混合而成，其质量比为Fe3Al粉占63%～86%，TiC-TiB2粉末占14%～37%。本发明通过在钛合金表面激光熔覆Fe3Al和TiC-TiB2陶瓷硬质相能够获得硬度和耐磨性显著提高的钛合金表面强化涂层，而且可将生产成本降低30%～40%。
文档编号C23C24/10GK103060800SQ201310030939
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者刘鹏, 李嘉宁, 李士凯, 张元彬 申请人:山东建筑大学