1.本发明涉及钛合金的技术领域，尤其是涉及一种钛合金防钛火涂层及其制备方法。
背景技术：
2.钛合金具有良好的比刚度、比强度以及较高的耐热性能，是高性能发动机减轻结构重量、提高推重比不可或缺的关键材料，因而在现代航空发动机风扇、压气机及其它构件中得到了广泛应用。但是，钛合金导热系数低、氧化生成热和燃烧热焓高，容易着火燃烧，一旦发生钛火，在几秒内烧毁发动机，瞬间造成机毁人亡的惨剧。
3.防钛火涂层就是采用先进的制备工艺在钛合金零部件表面，尤其是易发生摩擦的表面，制备一层难以燃烧的材料，防止转、静子钛合金零件直接碰磨，防止正常碰磨热量积累和传导到基体上，从而起到延缓和阻止燃烧的作用，因此也被称为阻燃层。阻燃层材料包括含cr、al、mo等元素的ni基合金涂层、cual、陶瓷（zro2·
8ｙ2o3）。
4.现有的防钛火涂层一般是利用等离子喷涂和热喷涂的方式制备，存在着抗冲击性能差、与基体结合弱、显著降低基体疲劳性能等种种缺点，不能满足当前的需求，因此需要发展具有更高性能的防钛火涂层及制备技术。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种钛合金防钛火涂层及其制备方法，利用激光熔覆技术实现材料制备和成形。
6.第一，本发明提供一种钛合金防钛火涂层，其特征在于：包括由球形金属粉末形成的涂层基体和散布在所述涂层基体中的不规则异形高熔点金属颗粒；所述球形金属粉末为包含cr、al、y、v、zr的氧化物中的至少一种的ni基金属粉末，所述不规则异形高熔点金属颗粒为w、mo、ta、nb中的至少一种。
7.进一步优选的，所述球形金属粉末和所述不规则异形高熔点金属颗粒的质量比为（80~90）：（10~20）。
8.进一步优选的，所述不规则异形高熔点金属颗粒的尺寸为10-100目。
9.进一步优选的，所述球形金属粉末中，ni、cr、al、y、v、zr的摩尔比为ni：50%~80%、cr：1%~20%、al：1%~20%、y：1%~20%、v：1%~20%、zr:1%~20%。
10.进一步优选的，所述不规则异形高熔点金属颗粒中，w、mo、ta、nb的摩尔比为w：2%~35%、mo：2%~35%、ta：2%~35%、nb：2%~35%。
11.第二，本发明还提供了上述技术方案所述的钛合金防钛火涂层的制备方法，包括以下步骤：1）准备球形金属粉末前体和不规则异形高熔点金属颗粒并混合，得到混合均匀的粉末；2）将所述混合均匀的粉末与溶剂混合研磨后得到粉末涂料，在基材表面涂覆所述
粉末涂料后烘干；3）控制成型仓的氧含量为40-200ppm；4）激光熔覆制备所述钛合金防钛火涂层。
12.进一步优选的，准备所述球形金属粉末，具体为，采用气雾化制粉法制备由ni金属粉和cr、al、y、v、zr金属粉中的至少一种混合而成的金属粉末。
13.进一步优选的，准备所述不规则异形高熔点金属颗粒，具体为，将w、mo、ta、nb金属块放入球磨罐中，使整个球磨过程在无氧环境下进行，先使用250转/分钟预混30min，再使用600转/分钟进行高能球磨10h；高能球磨时，对罐体进行风冷，同时，每球磨2.5h，暂停15min，球磨完成后过筛获得所述不规则异形高熔点金属颗粒。
14.进一步优选的，所述激光熔覆的工艺参数为，激光功率为1000~3000w，扫描速度为200~300mm/min，光班直径为1~3mm、离焦量为1~10mm、保护气体采用氩气，气体流量为5~8l/min；熔覆区域尺寸为（10~100mm）
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（10~100mm）。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，本发明开发了一种特定组成的钛合金防钛火涂层。涂层材料选择添加w、mo、ta、nb等高熔点金属粗颗粒的不规则异形颗粒散布于cr、al、y、v、zr等球形粉末的ni基合金粉末形成的基体中，其中cr、al、y、v、zr等球形粉末的作用首先是在激光成型时在涂层中形成微量的氧化物以起到弥散强化、稳定涂层和防止烧蚀的作用，同时在使用中发生表面烧蚀时形成相对应的氧化物阻燃层，v、cr等元素能使燃烧前沿快速形成一层致密保护性氧化膜，从而阻止钛合金发生持续燃烧，而w、mo、ta、nb等高熔点金属粗颗粒的不规则异形颗粒则是钉扎在基体与阻燃层之间，提高耐气流冲刷性能、抗热震性能，防止涂层剥落，此外，由于其不规则、高熔点的特点，在涂层被部分烧蚀后仍能起到抗烧蚀的作用，其本身就是阻燃物，阻止钛合金发生持续燃烧。
16.第二，提出的钛合金防钛火涂层是激光熔覆专用制造，其适用于激光熔覆的高热输入、极高的冷却速率、小熔池的特点，克服了传统制备技术热输入不足，难以得到致密组织，且激光熔覆小熔池以及高冷却速率的特点也降低了元素的偏析，使得合金元素分配均匀。整个制备过程对气氛环境的要求比较严格。这种制备方式一方面保证了制备的高自由度、低成本、低周期以及便捷性，同时，确保了涂层内杂质含量很低，确保涂层的阻燃性能、加工性能和高温摩擦磨损性能。
附图说明
17.图1为本发明实施例的钛合金防钛火涂层的结构示意图。
18.图2为本发明实施例的钛合金防钛火涂层的金相照片。
具体实施方式
19.以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
20.在本发明制备工艺流程中，先对所述基材（基材可选用tc11、tc4、tc17、ti60等钛合金）进行处理再涂覆粉末涂料，将基材表面进行打磨、除锈除油污、清洗和干燥，使基材表面清洁平整且具有一定合适的粗糙度。所述打磨采用砂纸打磨，分别用60～10000目的砂纸将基体打磨平整；除油污采用丙酮洗去油污；清洗采用酒精清洗；干燥为吹干；粉末涂料包
括：混合粉体和溶剂，溶剂选用无水乙醇。混合粉体包括两部分：w、mo、ta、nb等高熔点金属粗颗粒的不规则异形粉末和ni、cr、al、y、v、zr等球形粉末。
21.不规则异形粉末制备过程为将w、mo、ta、nb等金属碎屑（金属小块）放入球磨罐中，加入尺寸不等的440c耐磨钢球，充入氩气并密封罐体，使整个球磨过程在无氧环境下进行，避免球磨时产生的新鲜表面被快速氧化。使高能球磨机，先使用250转/分钟预混30min，确保合金粉末混合均匀，再使用600转/分钟进行高能球磨10h。高能球磨时，对罐体进行风冷，同时，每球磨2.5h，暂停15min，以防止粉体过热，影响细化晶粒。球磨完成后，将球磨粉用10、100目筛网筛分获得10-100目的不规则异形粉末，以保证热机械固结的冶金质量，不规则异形高熔点金属颗粒的尺寸最终为10-100目，颗粒不能太小，不利于钉扎，也不能太大而不利于分散和成型，w、mo、ta、nb的摩尔比为w：2%~35%、mo：2%~35%、ta：2%~35%、nb：2%~35%。
22.球形粉末采用气雾化制粉，得到100-1250目金属粉末，以便于成型，干燥后得到混合的球形粉末，ni、cr、al、y、v、zr的摩尔比为ni：50%~80%、cr：1%~20%、al：1%~20%、y：1%~20%、v：1%~20%、zr:1%~20%。
23.将球形金属粉末和不规则异形粉末按照（80~90）：（10~20）的质量比放入三维混合机中混合，得到混合均匀的粉末。为了发挥足够的钉扎作用，不规则异形粉末不能少于10%，同时为了保证成型性能其也不应该超过20%。
24.基材采用60～10000目砂纸粗磨去除表面氧化皮，再经超声丙酮、酒精清洗以去除表面污渍。
25.将上述混合均匀的粉末和溶剂混合后研磨，得到粉末涂料，其由质量百分数90％的合金粉末与10％的无水乙醇组成。研磨在研钵中进行；研磨的时间为0.5～1小时，研磨成不粘稠糊状。将研磨后的混合粉末涂覆在基体表面，涂覆厚度为100～5000微米，在涂覆过程中采用刮刀控制涂覆厚度。
26.然后在箱式电阻炉电阻炉中烘干；干燥的温度为100～120℃，干燥的保温时间为1～10小时，干燥过程中温度每分钟上升1～10℃升温至100～120℃。
27.在整个制备过程开始前，要对成型仓内进行抽气处理，气氛中的氧含量要保持在40~200ppm，以保证cr、al、y、v、zr生成对应的氧化物。
28.将干燥后的粉末与基材进行激光熔覆获得涂层，其中激光熔覆工艺参数为：激光功率为1000~3000w，功率过低，会使熔池过小，过高，熔池过大，会使表面凹陷；扫描速度为200~300mm/min，速度过快会使熔池中粉末熔解不充分，而过慢则又会形成凹陷；光班直径为1~3mm、离焦量为1~10mm、保护气体采用氩气，气体流量为5~8l/min；熔覆区域尺寸为（10~100mm）
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（10~100mm）。
29.本发明得到的涂层材料结构如图1所示，基材4表面的涂层材料选择添加w、mo、ta、nb等高熔点金属粗颗粒的不规则异形颗粒1散布于cr、al、y、v、zr等球形粉末的ni基合金粉末形成的基体3中，其中cr、al、y、v、zr等球形粉末的作用是成型过程中形成微量的弥散强化氧化物，更在表面烧蚀时形成相对应的氧化物阻燃层，v、cr等元素能使燃烧前沿快速形成一层致密保护性氧化膜，从而阻止钛合金发生持续燃烧，而w、mo、ta、nb等高熔点金属粗颗粒的不规则异形颗粒则是钉扎在基体与阻燃层之间，提高耐气流冲刷性能、抗热震性能，防止涂层剥落，此外，由于其不规则、高熔点的特点，在部分涂层2被烧蚀后仍能起到抗烧蚀的作用，其本身就是阻燃物，阻止钛合金发生持续燃烧。
30.实施例：将w、mo、ta、nb金属碎屑（金属小块）经物理破碎法获得10-100目的不规则异形颗粒，w、mo、ta、nb的摩尔比为w：25%、mo：25%、ta：25%、nb：25%。然后将ni、cr、al、y、v、zr采用气雾化制粉，得到100-1250目球形金属粉末，ni、cr、al、y、v、zr的摩尔比为ni：50%、cr：10%、al：10%、y：10%、v：10%、zr:10%。将不规则异形粉末和球形金属粉末放入三维混合机中混合，得到混合均匀的粉末。
31.基材依次采用60、120、240、500、800、1000、2000目砂纸粗磨去除表面氧化皮，再经超声丙酮、酒精清洗以去除表面污渍。
32.将上述混合粉末和溶剂混合后研磨，得到粉末涂料，其由质量百分数90％的合金粉末与10％的无水乙醇组成。研磨在研钵中进行；研磨的时间为0.5小时，研磨成不粘稠糊状。将研磨后的混合粉末涂覆在基材表面，涂覆厚度为5000微米，在涂覆过程中采用刮刀控制涂覆厚度。
33.然后在箱式电阻炉电阻炉中烘干；干燥的温度为100℃，干燥的保温时间为1.5小时，干燥过程中温度每分钟上升10℃升温至100℃。
34.在整个制备过程开始前，要对成型仓内进行抽气处理，气氛中的氧含量要保持在200ppm以下。
35.将干燥后的粉末与基体进行激光熔覆获得涂层，其中激光熔覆工艺参数为：激光功率为3000w，扫描速度为270mm/min，光班直径为3mm、离焦量为5mm、保护气体采用氩气，气体流量为5l/min；熔覆区域尺寸为20mm
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20mm。
36.涂层经磨样、抛光、腐蚀处理后得到的金相显微组织如图2所示。从图中可以看出，涂层与基材结合紧密，涂层无孔隙及裂纹。
37.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。