[发明专利]一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维结构的表面处理技术，特别提供了在Ti-6Al-4V表面产生较厚涂层与较平整宏观形貌的制备方法，并使涂层由表及里TiB₂颗粒数量逐渐减少，而TiB短纤维数量逐渐增多。

背景技术

目前，在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法主要有：

①等离子喷涂

等离子喷涂是利用等离子火焰来熔化或软化喷涂粉末，并依靠等离子弧焰的自身动力及外加的压缩气流来推动熔粒成喷射的粒束，然后以一定的速度喷射到Ti-6Al-4V表面形成涂层。优点：可以使被加工工件的表面形成梯度结构涂层。缺点：表面粗糙大、与基材结合力差、涂层易开裂。

②化学气相沉积

化学气相沉积法是通过气相反应(热分解、还原、置换或化合等)在Ti-6Al-4V合金表面沉积出所要求的化合物。优点：可以精确控制相组成，获得致密的复合涂层。缺点：沉积层的厚度较薄，通常只在100μm以下。

③电火花沉积

电火花沉积是利用旋转电极与Ti-6Al-4V合金间形成的脉冲微弧以及瞬时高能量脉冲放电产生等离子态的高温、高压区，使电极材料熔化过渡到微熔的基体表面熔池中形成合金化强化层的一种表面处理技术。优点：通过多次反复沉积，可以获得较厚的梯度结构涂层。缺点：操作复杂，对工艺要求较高，一次沉积不能太厚，导致不利于大面积推广应用。

④激光表面处理

激光表面处理是指采用激光对Ti-6Al-4V表面进行辐照使之熔化并同时将合金化元素或强化颗粒等添加至熔池中形成具有一定厚度的强化层的表面处理方法。优点：可形成较厚的涂层，并得到梯度结构涂层，同时与基材界面结合强度高。缺点：被处理表面成型质量差，涂层裂纹敏感性高。

上述几种制备技术中，激光技术是较易获得表面层厚，组织致密，且与基材呈良好冶金结合的优势。这与激光的高能量密度与快速熔化、冷却特性直接相关。由于激光直接辐照材料表面，在热传递的作用下，材料熔化方向是沿内层逐渐推移，又由于基材的激冷作用，使得凝固方向是先从底层向外层推移。根据这种特性，通过合理的成分设计与工艺匹配可制备出强化相梯度分布的复合涂层。然而，当材料成分确定之后，合理工艺参数的确定无疑将成为主要制约因素。一方面，激光能量密度过低，会导致无法形成较厚的复合涂层，并且会降低原位反应的进行，容易使涂层内部残存较多缺陷，如气孔和裂纹；另一方面，激光能量密度过大，会导致大量基材被熔化，且熔池寿命延长，熔池流动剧烈，容易形成强化相较均匀的分布。因此，如何通过材料成分设计与工艺匹配制备出梯度结构复合涂层成为需要解决的关键问题。

TiB₂陶瓷具有高硬度、高弹性模量和高化学稳定性等优点，使得TiB₂涂层具有非常优异的抗粘着磨损性能。然而，TiB₂陶瓷的韧性较差，使得TiB₂涂层抗疲劳性能容易恶化，成为TiB₂涂层走向工业应用的“短板”。而TiB短纤维由于长径比大，使得TiB内部结构含有的缺陷较低，有利于断裂韧性的提高。近年来，大量学者研究表明，形成的涂层表现出表层硬、内部软的特征将更有利于耐磨性能的提高。然而，由于TiB₂陶瓷的高熔点(3253℃)和高熔化焓(83.97kJ/mol),导致采用激光技术制备复合涂层，容易形成表面呈明显凹陷的复合涂层。

发明内容

本发明目的在于提供一种在Ti-6Al-4V合金表面形成颗粒与短纤维梯度结构的制备方法，解决现有技术中存在的被处理表面成型差、裂纹敏感性大、表面层薄、表层易脱落及难以形成梯度结构等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

对Ti-6Al-4V合金表面用砂纸打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面；然后将TiB₂和Ti粉末按质量比为3:2进行机械混合，并与2123酚醛树脂充分混合，并调和成均匀膏状，膏状物预先涂覆在待加工的Ti-6Al-4V表面，2123酚醛树脂的加入量是TiB₂和Ti粉末质量的2％～3％；预置层厚度为0.5～0.6mm，然后置于干燥箱烘干15～20h备用，烘干温度为100～150℃。

在激光加工前，采用加热炉将预置后的Ti-6Al-4V合金预热到300～350℃,并保持温度稳定；最后采用光纤激光器对Ti-6Al-4V表面预置层进行加工。