[发明专利]用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法

说明书

本发明属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。该熔覆层采用激光熔覆技术，熔覆粉末包括65wt％TC4，5wt％Cu，28～30wt％Ni60，0～2wt％Y₂O₃。TC4粉末包括6.36wt％Al、4.06wt％V、0.077wt％O、0.011wt％N、0.05wt％Fe，其余为Ti。Ni60粉末包括15.5wt％Cr、0.8wt％C、3.5wt％B、4.0wt％Si、5.0wt％Fe、3.0wt％W，其余为Ni。本发明可以有效改善激熔覆层的成形质量并提高钛合金表面的摩擦磨损性能。

技术领域

本发明属于钛合金表面工程领域，特别是涉及一种用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。

背景技术

Ti-6Al-4V(TC4)合金具有高比强度、优良的中低温性能和低密度等优点，可满足航空发动机高推重比、高可靠性和长寿命的设计需求，是航空发动机压气机叶片、风扇叶片、机匣和发动机挂架的重要选材。然而，钛合金硬度低，耐磨性差，在航空发动机高速气动载荷和复杂震动条件下，发动机的钛合金零部件将因吸入空气中的异物而产生划痕和磨损，破坏了钛合金部件的结构强度和气动外形，不利于航空发动机运营可靠性和安全性。

激光熔覆是一项快速高效的表面改性技术，制备的熔覆层与基体结合强度高，材料利用率高。因此，对于钛合金硬度和耐磨性不足等问题，国内外研究机构展开了一系列的激光表面改性研究，以改善钛合金表面的摩擦磨损性能。镍基自熔性合金含有B和Si元素，可增加熔池流动性，保证熔覆层与基材的润湿性。此外，镍基自熔性合金提供的Ni、C和B等元素与钛生成硬质相，改善熔覆层的摩擦磨损性能。因而，Ni60自熔性合金粉末被广泛运用于钛合金表面激光熔覆。使用镍基自熔性合金制备的熔覆层可有效的改善钛合金表面的耐磨性，但激光熔覆快速加热冷却的工艺特点，易导致熔覆层出现应力集中，熔覆层中生成的粗大硬质相极易萌生裂纹，破坏熔覆层的成形质量。Cu热导性好，熔点低，在材料体系中添加Cu可减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量，提高强韧性，但熔覆层易出现气孔缺陷，不利于熔覆层的成形质量，限制含铜激光熔覆层在钛合金表面改性和损伤修复的工业化运用。

发明内容

为了应对上述激光修复层中存在的不足问题，本发明的目的在于提供用于钛合金的稀土添加含铜钛基激光熔覆层及其制备方法。改善激熔覆层的成形质量，提高钛合金表面的摩擦磨损性能。钛基复合材料体系使熔覆层与TC4基材的热物理性能差异较小，保证熔覆层与基材的相容性。Ni60自熔性合金粉末的B和Si元素可增加熔池流动性，可保证熔覆层与基材的润湿性。此外，Ni60自熔性合金粉末提供的Ni、C和B等元素与钛生成TiCx、TiB和Ti₂Ni等增强相，改善钛合金表面的摩擦磨损性能。Cu具有热导性好，熔点低等特点，可有效减缓熔覆层应力集中，降低裂纹敏感性，改善熔覆层的成形质量。稀土氧化物具有化学活性强，电负性低等特性，熔覆材料体系中加入Y₂O₃，可提高熔覆材料对激光能力吸收率，增加熔池对流，使气泡有效逸出，避免产生气孔缺陷，降低熔覆层裂纹敏感性，改善熔覆层成形质量。Y₂O₃以细小颗粒状分布在析出相边界处，阻碍晶粒的固-液界面移动，抑制硬质相的晶粒长大；同时，Y₂O₃可作为析出相的异质形核中心，增加熔体的形核率，细化熔覆层析出相，使硬质相分布均匀，提高熔覆层硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性能，磨损表面光滑平整，改善熔覆层摩擦磨损性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：