[发明专利]钛合金表面激光原位合成TiBx‑TiN/Ti3Al复合涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及钛合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al复合涂层及制备方法。

背景技术

钛合金是目前我国高强高韧钛合金综合力学性能匹配较好的钛合金之一，具有良好的强度、塑性、断裂韧性和较低的裂纹扩展速率,被广泛应用于航空飞机的机翼接头结构件、机身与起落架连接框、吊挂发动机接头等部位,以及对强度及耐久性要求较高的重要或关键承力等部件。但钛合金硬度较低、耐磨性较差等缺陷，严重限制了其在工业领域中的应用。激光熔覆技术作为近几年兴起得一种表面改性技术，是提高钛合金表面硬度、耐磨性及抗高温氧化性等性能的有效途径。

激光熔覆技术使利用激光束的高能量密度，使熔覆粉末和基体金属表面薄层同时熔化，形成微小熔池并快速凝固，从而获得稀释度较低且与基体构成冶金结合的表面涂层。激光熔覆技术具有以下优点：激光束光斑直径可以控制，可选择性对工件进行局部处理；激光束的方向性好，精确可控制，可以对不规则表面复杂的的工件进行处理；激光束能量密度高，对工件作用时间短，凝固时冷却速度快，激光熔覆层组织细小；熔覆层组织具有明显的梯度渐变特征，使熔覆层与基体之间呈现良好的冶金结合。

激光熔覆复合涂层的组织细密而均匀，并分布着大量的陶瓷硬质相，对熔覆层的硬度有着明显的提高；从熔层区至热影响区，随着熔覆层深度的增加，基体对激光熔覆层的稀释会引起硬度的降低；靠近激光熔覆层的热影响区中组织发生马氏体相变，因而显微硬度提高；随着距离表面层深的增加，显微硬度持续下降，直至降至基体后趋于稳定。复合粉末涂层弥补了滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下自熔性合金粉末的不足，又有效的改善了纯陶瓷涂层应用中出现的性能不匹配造成缺陷的问题。

现有技术以Ti、Al、TiN等粉末为原料，采用激光直接添加增强相法熔覆技术制备TiN增强的Ti₃Al基复合涂层，结果表明，复合涂层具有比单相Ti₃Al涂层更优异的硬度和耐磨性，但是复合层存在着基体与复合层的结合性较差、界面杂质多和成分分布不均等不足之处。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al复合涂层及制备方法，与直接添加增强相法相比，原位合成法制备复合涂层中的基体与陶瓷增强相容性好、结合性强、热力学稳定、界面干净、分布均匀。为了实现上述技术目的,本发明采用的技术方案为：

钛合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al复合涂层，该复合涂层的基体材料为钛合金；其熔覆粉末由BN、Al和Ti组成，其中BN的原子百分比为3％-10％、Al的原子百分比为26％-29％，其余为Ti；所述各组分纯度均大于等于99.9％；原位合成的TiB、TiB₂及TiN均匀分布于Ti₃Al上。通过激光熔覆技术制备出TiB_x-TiN/Ti₃Al复合涂层，它实现了金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性的有机结合。

上述的钛合金表面激光原位合成TiB_x-TiN/Ti₃Al复合涂层的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将基体材料钛合金表面磨平，去除表面氧化层；清洗基体材料，去除表面有机污渍；

步骤2：将熔覆粉末按照BN、Al和Ti混合，其中BN的原子百分比为3％-10％、Al的原子百分比为26％-29％，其余为Ti；各粉末混合后，进行真空球磨，球磨时间不少于1小时，充分混合，得到合金粉末，粉末粒径为2～3um，再把粉末放入真空干燥箱中，去除粉末中的水分；

步骤3：采用预置法，不添加黏结剂地将熔覆粉末均匀的涂敷在经过步骤1处理基体材料表面，涂敷厚度为0.8-2mm；

步骤4：在氩气保护下，采用半导体激光器对试样进行表面单道熔覆；

进行熔覆时的工艺参数为：激光功率为800-1200W、扫描速度为3-6mm/s、光斑直径为3-4mm，保护气体采用氩气，防止空气中的氧气对其氧化以及水蒸气进入熔覆层，气体流量为6～10L/min。

本发明的有益效果是：