一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺的制作方法

本发明属于材料表面处理技术领域，涉及一种激光熔覆镍基熔覆层，具体涉及一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺。

背景技术：

钛及其合金由于具有比强度高、比模量高、耐蚀性好等优点，因而其在航空航天、国防工业、石油化工、海洋船泊、汽车制造等领域的应用得到广泛关注。然而，钛合金硬度低、耐磨性较差，限制了其在工业领域摩擦场合的应用。如何改善钛合金的耐磨性能，引起了国内外研究人员的广泛关注。作为一种表面改性技术，激光熔覆也被用于钛合金的表面强化与改性，成为当前的研究热点之一。

激光熔覆过程中，激光束使熔覆材料和基材表面薄层同时熔化、形成微小熔池并快速凝固，从而形成与基材呈现冶金结合的表面熔覆层。为了获得性能优异的熔覆层，必须从材料体系设计及工艺参数优化两个方面考虑。在选择熔覆材料时，要综合考虑性能需求、熔覆材料与基材的相容性、熔覆材料性价比等因素，选择合适的熔覆材料；在工艺设计方面，要合理设计熔覆工艺参数，首先保障熔覆层与基材的冶金结合，其次，要实现熔覆层微观组织的优化，以获得最佳的性能。

技术实现要素：

在熔覆材料的选择方面，自熔性合金(Ni基、Fe基、Co基等)由于具有良好的脱氧、造渣功能，同时又与多数金属材料具有良好的润湿性，在激光熔覆中的应用最为广泛。在此基础上，根据材料的性能要求，在自熔性合金中加入各种高熔点的碳化物(TiC、SiC、WC)、氮化物(TiN)、硼化物(TiB₂)和氧化物(Al₂O₃、TiO₂)等陶瓷颗粒，或通过原位反应的方式在熔覆层中形成陶瓷强化相，形成金属陶瓷复合熔覆层，进一步提高钛合金的显微硬度与耐磨性，使得激光熔覆技术的应用前景更为广阔。

本发明以镍基自熔性合金粉末为基，通过添加镍包石墨，在适宜的工艺参数下制备出多元强化激光熔覆层，显著提高了钛合金的表面硬度与耐磨性。在材料选择方面，本发明选择的镍基自熔性合金及镍包石墨，价格低廉，经济适用性较好，易于在相关工业领域推广应用。

本发明的目的是提供一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层。

本发明的另一目的是提供该种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层的制备工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层的熔覆材料，包括Ni60A镍基合金粉末和镍包石墨(Ni@G)，所述熔覆材料中镍包石墨的质量百分数为10～50％，余量为Ni60A镍基合金粉末。

本发明中所述的镍包石墨(Ni@G)为以镍为壳，以石墨为核，形成镍包覆石墨的核-壳结构的复合颗粒材料。镍包石墨(Ni@G)的制备方法较多，例如化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法、湿式加压氢还原法等。

优选的，所述的Ni60A镍基合金粉末的粒径为45μm～106μm。

优选的，所述镍包石墨(Ni@G)的粒径为45μm～109μm。

优选的，所述镍包石墨(Ni@G)中镍的质量分数为45～65wt.％，余量为石墨。

进一步优选的，所述镍包石墨(Ni@G)中镍的质量分数为55～65wt.％，余量为石墨。

优选的，所述熔覆材料中镍包石墨的质量百分数为10～40％，余量为Ni60A镍基合金粉末。采该配比制备的钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层，其耐磨性可以提高到钛合金基材的9.8倍以上。

进一步优选的，所述熔覆材料中镍包石墨的质量百分数为10～30％，余量为Ni60A镍基合金粉末。采该配比制备的钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层，其能进一步提高钛合金的耐磨性。

进一步优选的，所述熔覆材料中镍包石墨的质量百分数为10～20％，余量为Ni60A镍基合金粉末。采该配比制备的钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层，其能进一步提高钛合金的耐磨性。

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层，以钛合金为基体材料，采用上述熔覆材料，通过激光熔覆制备。

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层的制备工艺，将上述熔覆材料预铺在钛合金基材表面，控制厚度，在氩气保护下，利用CO₂气体激光器进行熔覆。

优选的，使用熔覆材料前需要将熔覆材料中的Ni60A镍基合金粉末和镍包石墨(Ni@G)混合均匀。

优选的，在预铺熔覆材料之前需要对钛合金基材表面清理干净并去除表面氧化皮。

优选的，所述厚度为0.8～1.0mm。厚度过低，会导致熔覆层过薄；厚度过高，需要在更高功率下进行熔覆，增加成本，对设备的要求也提高，不宜推广应用。

优选的，所述CO₂气体激光器的功率为1.0～3.5kW，扫描速度为200～700mm/min，光斑直径为2.5～3.5mm。该条件下制备的熔覆层具有更好的耐磨性，且有利于熔覆层与基材之间的结合。

优选的，氩气流速为5～15L/min。氩气流速过低无法进行保护，流速过高成本较高。

本发明提供一种优选的钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层的制备工艺，其步骤为：

1)用砂纸将待处理的钛合金基材表面清理干净，去除表面氧化皮；

2)将一定配比的熔覆材料混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8～1.0mm；

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为1.0～3.5kW，扫描速度为200～700mm/min，光斑直径为2.5～3.5mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为5～15L/min。

一种上述制备工艺制备的钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层。

一种摩擦零件，包括上述钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层。

本发明采用的Ni60A镍基自熔性合金粉末的成分如表1所示。

表1 Ni60A镍基自熔性合金粉末的化学成分(wt.％)

本发明的有益效果为：

1.本发明采用Ni60A镍基自熔性合金粉末，由于其中含有一定量的B、Si等元素，具有优异的脱氧造渣功能，可以有效抑制熔覆过程中熔池的氧化，减少熔覆层中的裂纹、气孔等缺陷。Ni60A镍基自熔性合金粉末在当前应用的镍基自熔性合金中，硬度较高，含镍量少，成本低。

2.在熔池中，Ni60A自熔性合金中的Ni、Cr、B、Si等元素可以与Ti发生化学反应，生成多种陶瓷强化相，获得优异的性能。在此基础上添加Ni@G，一方面Ni、C元素可以与Ti反应，生成Ni-Ti金属间化合物及TiC强化相，进一步改善熔覆层性能；另一方面，未参与反应的G在熔覆层中可以作为固体润滑相，改善熔覆层耐磨性能。本发明采用的Ni@G中，Ni的含量低(45～65wt.％)，材料成本较低，对熔覆的技术要求更高，在本发明的制备工艺下，获得了较好的效果。

3.本发明制备的熔覆层为金属-金属间化合物/陶瓷复合熔覆层，将金属材料的高塑韧性与金属间化合物或陶瓷材料的高硬高强性结合起来，实现熔覆层的强韧性匹配，充分发挥熔覆层的潜能。

附图说明

图1为实施例1熔覆层XRD衍射图谱；

图2为实施例1熔覆层不同位置的扫描电镜图片，其中，a、b均为熔覆层与基材结合界面处，c为熔覆层的中部，d为熔覆层的上部；

图3为实施例1的能谱图，其中，a为进行能谱分析的选择区域，b为a中“谱图1”点处的能谱分析图；

图4为实施例3熔覆层不同位置的扫描电镜图片，其中，a、b均为熔覆层与基材结合界面处，c为熔覆层的中部，d为熔覆层的上部；

图5为实施例3的能谱图，其中，a为进行能谱分析的选择区域，b为a中“谱图1”点处的能谱分析图；

图6为实施例4熔覆层不同位置的扫描电镜图片，其中，a、b均为熔覆层与基材结合界面处，c为熔覆层的中部，d为熔覆层的上部；

图7为实施例4的能谱图，其中，a为进行能谱分析的选择区域，b为a中树枝晶区域的能谱分析图。

具体实施方式

本发明涉及的熔覆层性能测试方法：

(1)显微硬度测试：采用DHV-1000型显微硬度计测试熔覆层的显微硬度，载荷200g，加载时间为10s，沿熔覆层的最大熔深方向由熔覆层表面至基材每隔0.1mm测定显微硬度值，以分析熔覆层各个部位的显微硬度分布特征。

(2)磨损试验：用HT-1000型磨损试验机来进行磨损试验，磨球选用Si₃N₄陶瓷磨球(Φ6mm)，转速448r/min，摩擦半径6mm，载荷为1.5kg，磨损试验时间为30min。以单位时间的磨损失重量(g/min)表征熔覆层的耐磨性能。

磨损试验完成后，用扫描电镜观察其磨损表面，研究其磨损机制。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺，熔覆材料质量配比为：90wt.％Ni60A+10wt.％Ni@G，Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm，Ni@G粒度45μm～109μm，Ni@G的成分为65wt.％Ni+35wt.％G，具体工艺步骤如下：

1)用砂纸或砂轮将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3.0kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

利用XRD对熔覆层的物相组成进行分析，如图1所示。结果表明，熔覆层主要由γ-Ni、NiTi、NiTi₂、TiB₂、Cr₂B、CrB、Ni₂B、Ni₃B、TiC、G等物相组成。由于Ni@G的加入，熔覆层中生成了较多的TiC，使得衍射结果中TiC的衍射峰较为明显。此外，熔覆层中标出了石墨(G)的衍射峰，证实了熔覆层中石墨的残留。

图2a～图2d为熔覆层不同部位的微观组织形貌。熔覆层均与基材之间均存在明显的“熔合线”，呈现出冶金结合特征，如图2(a)(b)所示。由于熔合线附近温度梯度较高，呈现出平面及胞状生长组织特征，这些平面晶或胞状晶如楔子一样向上生长，有利于熔覆层与基材之间的结合。

熔覆层不同部位的组织形貌有所差别，这与熔覆过程中熔池中的温度分布、凝固条件等均有关系。对熔覆层中的不规则块状物相进行能谱分析，结果表明其主要含有Ti、C元素(图3)，结合XRD分析结果，不规则块状相为TiC。

熔覆层性能研究表明，30分钟磨损试验后的磨损失重仅有0.0004g，与钛合金基材(0.0128g)相比有了显著降低，熔覆层的耐磨性能提高到钛合金基材的32倍。

实施例2

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺，熔覆材料质量配比为：80wt.％Ni60A+20wt.％Ni@G，Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm，Ni@G粒度45μm～109μm，Ni@G的成分为65wt.％Ni+35wt.％G，具体工艺步骤如下：

1)用砂纸或砂轮将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2.0kW，扫描速度为200mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

熔覆层性能研究表明，30分钟磨损试验后的磨损失重仅有0.0010g，与钛合金基材(0.0128g)相比有了显著降低，熔覆层的耐磨性能提高到钛合金基材的12.8倍。

实施例3

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺，熔覆材料质量配比为：80wt.％Ni60A+20wt.％Ni@G，Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm，Ni@G粒度45μm～109μm，Ni@G的成分为65wt.％Ni+35wt.％G，具体工艺步骤如下：

1)用砂纸或砂轮将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3.0kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

图4为本实施例熔覆层的微观组织形貌，结果表明，熔覆层中出现了块状或花瓣状组织，对其进行能谱分析，这些组织主要含有Ti、C，结合XRD分析，这些组织为原位生成的TiC，如图5所示。

熔覆层性能研究表明，30分钟磨损试验后的磨损失重仅有0.0006g，与钛合金基材(0.0128g)相比有了显著降低，熔覆层的耐磨性能提高到钛合金基材的21.33倍。

实施例4

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺，熔覆材料质量配比设计为：70wt.％Ni60A+30wt.％Ni@G，Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm，Ni@G粒度45μm～109μm，Ni@G的成分为65wt.％Ni+35wt.％G，具体工艺步骤如下：

1)用砂纸或砂轮将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为3.0kW，扫描速度为450mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为10L/min。

图6、图7为本实施例熔覆层的微观组织形貌及能谱分析结果，结果表明，在实施例4的工艺条件下，当Ni@G的添加量为30wt.％时，熔覆层中生成的TiC生长为粗大的树枝状。这些粗大的组织，在一定程度上不利于熔覆层的耐磨性能。

熔覆层性能研究表明，30分钟磨损试验后的磨损失重仅有0.0009g，与钛合金基材(0.0128g)相比有了显著降低，熔覆层的耐磨性能提高到钛合金基材的14.22倍。

实施例5

一种钛合金表面激光熔覆镍基熔覆层及其制备工艺，熔覆材料质量配比设计为：Ni60A+40wt.％Ni@G，Ni60A镍基合金粉末粒度为45μm～106μm，Ni@G粒度45μm～109μm，Ni@G的成分为55wt.％Ni+45wt.％G，具体工艺步骤如下：

1)用砂纸或砂轮将待处理的基材表面清理干净，去除表面氧化皮。

2)将熔覆粉末混合均匀，预铺在基材表面，控制其厚度为0.8mm。

3)利用CO₂气体激光器对步骤2)中准备好的样品进行熔覆试验，激光器功率为2.5kW，扫描速度为400mm/min，光斑直径为3.0mm，熔覆过程中吹送氩气保护熔池，氩气流量为15L/min。

由于添加Ni@G较多，熔覆层表面质量变差。耐磨性能测试表明，30分钟磨损试验后的磨损失重为0.0013g，与钛合金基材(0.0128g)相比有所降低，熔覆层的耐磨性能提高到钛合金基材的9.84倍。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。