一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法

本发明公开了一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，属于激光加工领域。

背景技术：

1、相比于加工硬化、固溶强化、细晶强化、第二相强化以牺牲塑性来提高强度的常规强化机制，如何获得高强度和高延展性的材料是当前研究的热点。而在自然界的数百年演变中，大多数植物和生物系统为了生存形成了各种结构优异的，兼具强度和塑性的异质结构。这个结果在自然进化了数百万年得到了充分验证，例如竹子的茎、鲍鱼壳、贝壳等。由此引起了对异质结构材料的广泛研究。

2、异质结构材料由具有显著不同的机械性能或者物理性能的异质区组合成的新型材料。相比于单个材料或者均质材料，异质结构材料中异质区域之间的相互耦合产生的协同效应，其综合性能超过了混合规则的预测值，具有优异的强度和延展性组合。异质结构材料体现出来的强度-延展性协同增强主要归因于异质变形诱导(hdi)强度和应变硬化。通过调整材料的微观结构和尺寸，利用热压烧结、轧制、激光熔覆等工艺已经成功制备出如梯度结构、片层结构、双峰结构、调和结构、双/多相结构等性能优异的异质结构材料。

3、但上述办法都存在不同程度的缺陷，如热压烧结技术形成的烧结体不能直接作用在工件表面；轧制工艺将片材通过加热加压进行一体化成型，但片层之间的结合效果差。激光熔覆作为“增材制造”技术之一，被认为是一种前沿和流行表面改性技术，在表面工程领域取得了相当大的深入发展。而钛基复合材料在航空、医疗、汽车、军事等领域具有广泛的应用前景，为了进一步提高钛合金的性能，制备具有优异强度和塑性的材料是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，利用激光熔覆技术在铜基体上熔覆软层和硬层交替的层状异质结构以及在硬层中原位合成的复合网状异质结构；其中软层是由延展性很好的金属ti组成，为了改善涂层表面质量加入少量ni粉末进行改善；硬层是由zrn和tib2增强ti基复合涂层组成；在硬层中利用zrn和tib2粉末的原位合成反应形成了弥散分布的zrb2颗粒，网状骨架为zrni3，网状结构内部为α-ti以及球形tin的复合网状异质结构；结合软/硬层之间的界面效应和复合网状结构对裂纹的阻挡实现裂纹偏转增韧，利用层状-网状双异质结构带来的hdi强化和应变硬化提高基体材料表面的强度和延展性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其包括以下步骤：

4、s1、准备熔覆粉末，熔覆粉末包括第一混合粉末：95wt.%ti，5wt.%ni以及第二混合粉末80.75-90.25wt.%ti，4.25-4.75wt.%ni，2.5-10wt.%zrn，0-7.5wt.%tib2两种，分别混合均匀；

5、s2、准备工件，对纯铜基体表面进行预处理；

6、s3、用无水乙醇将两种熔覆粉末分别拌糊，首先涂覆第一混合粉末在基体上烘干，对基体进行预热，采用激光熔覆技术在纯铜基体上进行熔覆，打磨表面氧化层；

7、s4、在步骤s3得到的熔覆层上涂覆第二混合粉末，烘干，对基体进行预热，采用激光熔覆技术熔覆第二混合粉末，打磨表面的氧化层；

8、s5、重复步骤s3、s4，两种熔覆粉末交替熔覆，在铜基体表面成功制备了硬/软层交替分布的层状异质结构涂层。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤s1中金属ti粉末的平均粒度为100~150μm，纯度为99.5%；ni为雾化ni粉末，平均粒度为45~100μm，纯度为99.5%；zrn粉末的平均粒径为3~5μm，纯度为99.9%；tib2粉末的平均粒径为3~5μm，纯度为99.5%。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：第一混合粉末、第二混合粉末的制备是通过行星球磨机进行混粉，转速为300r/min，混粉末时间为2h。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤s2中铜基体用角磨机去除表面污渍和氧化物，用无水乙醇清洁表面，自然风干。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤s3、s4中在涂覆混合粉末烘干后，用墨汁将试样表面除预置粉末区域外进行黑化处理，之后进行基体预热。

13、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤s3、s4中的烘干温度设定为100℃，保温时间为1h。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：用自耦变压器控制电炉盘实现对基体的精准控温，对铜基体进行预热处理，预热温度为750℃，预热过程中通入氩气。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：激光熔覆的激光功率p为2000w-2600w、扫描速度v为5-7mm/s、光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm。

16、本发明技术方案的进一步改进在于：激光熔覆第一混合粉末的激光功率p为2000w、扫描速度v为5mm/s、光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm；激光熔覆第二粉末的激光功率p为2400-2600w、扫描速度为5-7mm/s，光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm。

17、由于采用了上述的技术方案，本发明取得的技术效果如下：

18、本发明利用激光熔覆技术制备了多层复合网状结构钛基涂层，在铜基体上形成了由ti基组成的软层和由zrn、tib2陶瓷增强相组成的硬层，软层硬层交替排布。在硬层的制备中加入zrn、tib2粉末，通过原位合成反应制备了弥散分布的zrb2颗粒，形成的网状结构骨架为zrni3，内部为α-ti以及球形tin的复合网状结构。将宏观层状结构与微观复合网状结构相结合，利用hdi强化和应变硬化提高材料的强度和延展性。

技术特征：

1.一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：步骤s1中金属ti粉末的平均粒度为100~150μm，纯度为99.5%；ni为雾化ni粉末，平均粒度为45~100μm，纯度为99.5%；zrn粉末的平均粒径为3~5μm，纯度为99.9%；tib2粉末的平均粒径为3~5μm，纯度为99.5%。

3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：第一混合粉末、第二混合粉末的制备是通过行星球磨机进行混粉，转速为300r/min，混粉末时间为2h。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：步骤s2中铜基体用角磨机去除表面污渍和氧化物，用无水乙醇清洁表面，自然风干。

5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：步骤s3、s4中在涂覆混合粉末烘干后，用墨汁将试样表面除预置粉末区域外进行黑化处理，之后进行基体预热。

6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：步骤s3、s4中的烘干温度设定为100℃，保温时间为1h。

7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：用自耦变压器控制电炉盘实现对基体的精准控温，对铜基体进行预热处理，预热温度为750℃，预热过程中通入氩气。

8.根据权利要求1所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：激光熔覆的激光功率p为2000w-2600w、扫描速度v为5-7mm/s、光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm。

9.根据权利要求8所述的一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，其特征在于：激光熔覆第一混合粉末的激光功率p为2000w、扫描速度v为5mm/s、光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm；激光熔覆第二粉末的激光功率p为2400-2600w、扫描速度为5-7mm/s，光斑尺寸d为10×2mm2，预置粉末厚度为1mm。

技术总结
本发明公开了一种激光熔覆制备多层复合网状结构钛基涂层的方法，属于激光加工领域，步骤如下：无水乙醇为粘结剂将两种不同的合金混合粉末分层预置在纯铜基体表面，分层熔覆，利用激光熔覆技术在基体表面进行单道多层熔覆；从涂层表面到基体形成了硬/软层交替的层状异质结构涂层；在硬层中通过原位合成技术形成连续的复合网状结构，再结合硬/软层之间的界面，最大程度的利用裂纹偏转来增强涂层的断裂伸长率；表面硬层可以有效改善纯铜硬度低、耐磨性差的缺点，在熔覆层中引入层状和复合网状异质结构，利用层状和网状异质结构的双重HDI强化与应变硬化提高涂层的强度和延展性。

技术研发人员：战再吉,徐麒,曹海要
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29