Ni/TiNi双相金属化合物基复合涂层及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及双相金属化合物基复合涂层的制备方法，尤其是涉及一种原位合成 TiB2/TiC增强Ti 2Ni/TiNi双相金属化合物基复合涂层及制备方法。
【背景技术】
[0002] 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性优异等优点被广泛应用于航空航天、石油化工、药 疗等工业领域。但由于其较低的表面硬度与耐磨性，使其应用受到严重限制。因此，提高钛 合金表面的硬度与耐磨性成为研究热点。利用激光熔覆技术在钛合金表面制备一层高硬度 且耐磨的复合涂层能够有效解决上述不足。
[0003] 激光熔覆技术具有以下突出优势：
[0004] (1)激光束的能量密度非常高，与材料的相互作用时间极短，因此使得基体材料热 影响区及热变形率均比较小。
[0005] (2)熔覆过程对基材的稀释作用比较小，可以保证基体原材料和涂层的较高性能 的匹配。
[0006] (3)由于稀释作用小，激光熔覆层的组成成分与性能主要取决于涂覆材料自身的 成分和性能。因此，熔覆材料的选择范围非常之广。
[0007] (4)激光作用过程为急冷急热过程，所获得组织致密细小，微观缺陷较少，结合强 度高，性能优异。
[0008] (5)激光熔覆涂层的尺寸大小和位置可以通过自动化精确控制，有较高的性价比。 通过设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位进行处理，能够使得熔覆层满 足不同的尺寸要求。
[0009] (6)激光熔覆过程无辐射，无污染，劳动条件得到较大改善。
[0010] 目前，通过激光熔覆技术原位合成陶瓷颗粒增强金属基复合涂层来提高钛合金耐 磨性引起了人们广泛的关注，但是还存在如下问题有待解决：
[0011] (1)最常用的传统粘结法制备的预置涂层存在有机粘结剂大量使用、涂层厚度难 以精确控制、致密度低的不足。
[0012] 传统的粘结法制备预置涂层的工艺过程如下：首先将熔覆粉末和有机粘结剂混合 成浆料，然后将浆料涂覆于基底表面，干燥后就得到了可用于激光熔覆的预置涂层。根据这 个过程可以看到，要使用大量的有机粘结剂。粘结剂在随后的高温激光熔覆过程中会分解 为气体，由于激光熔覆快速加热和快速冷却的特点，导致这些气体来不及逃逸出熔池而残 留在涂层内部形成缺陷。从而大大降低涂层的组织重复性和机械性能。另外浆料通常用刷 子涂覆在基底表面，涂层的厚度不均匀且厚度难易控制。这导致激光熔覆后不同区域存在 组织和成分偏析。最后浆料干燥后形成的预置涂层致密度较低，内部存在大量微小气孔。这 也会降低涂层组织的重复性和机械性能。
[0013] (2)涂层硬度、开裂敏感性和耐磨性三者间的关系没有更好的协调处理。
[0014]目前常常通过陶瓷颗粒的添加来提高涂层的硬度，进而提高其在磨损过程中的抗 切削能力。陶瓷颗粒添加越多，硬度越高，抗切削能力越强。从短时磨损结果看，其耐磨性 提高了。但是硬度的提高往往伴随着开裂敏感性的下降，导致涂层在磨损过程中抗脆性剥 落能力下降。这就使得裂纹极易萌生、扩展、贯穿，最终导致涂层局部从其表面剥落下来，反 而会削弱其耐磨性能。从长时磨损结果看，开裂敏感性的下降会降低其磨损性能。这三者 间的关联如不能很好协调，达到最佳配合，就不能够使涂层获得最佳的耐磨性能。
[0015] 基于此，本发明提出通过一种改进的预置涂层制备方法来解决目前粘结法存在的 上述不足，获得厚度可控、致密度高且含有极少量有机粘结剂的预置涂层，进而获得厚度可 控、组织均匀、缺陷少且重复性高的复合涂层。在此基础上通过熔覆材料组分的优化组合来 获得涂层硬度、开裂敏感性的最佳组合，从而获得最为优异的耐磨性能的涂层。
【发明内容】
[0016] 本发明所要解决的技术问题在于克服目前传统粘结剂法制备预置涂层中所存在 的缺陷，提出一种操作简易、厚度可控、粘结剂用量少的改进的预置涂层法。并且通过熔覆 材料组分的设计，获得一种硬度与开裂敏感性最佳组合的复合涂层。
[0017] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0018] -种原位合成TiB2/TiC增强Ti2Ni/TiNi双相金属化合物基复合涂层的制备方法， 包括以下步骤：
[0019] (1)将镍基合金粉末与碳化物陶瓷粉末充分搅拌研磨，形成均匀的混合粉末；
[0020] (2)在钛合金Ti6A14V基底上形成一层致密的预制涂层，过程如下：
[0021] (2. 1)在钛合金Ti6A14V表面刷一层粘结剂，并将钛合金放入模具中，然后将步骤 (1)所得混合粉末放入模具中，控制厚度，得到预置涂层；
[0022] (2. 2)将预置涂层在压片机下进行加压，压力为20~40MPa，保持时间为1~ 5min，进一步提高其致密度；
[0023] (3)对上述预置涂层进行激光熔覆，即在钛合金表面原位合成TiB 2/TiC增强 Ti2Ni/TiNi双相金属化合物基复合涂层。
[0024] 步骤（1)中镍基合金粉末（表示为NiCCrBSi)与碳化物陶瓷粉末的重量比为 (30-90):(5-30)〇
[0025] 所述的镍基合金粉末（表示为NiCCrBSi)含有以下重量百分比的元素：Ni: 75wt% ? C ：lwt%? Cr ：16wt%? B ：3. 5wt%? Si ：4. 5wt%〇
[0026] 所述的碳化物陶瓷粉末为B4C。
[0027] 所述的粘结剂为5wt. %聚乙稀醇。
[0028] 步骤⑵中控制预置涂层的厚度约为0.8mm。
[0029] 步骤（3)中，进行激光熔覆的方法为：用功率为2~5KW、光斑直径为2~8mm的 光源，以5~25mm/s的扫描速度进行激光熔覆。
[0030] 本发明合理设计了熔覆材料的组分，通过改进的预置涂层制备技术在钛合金表面 预置致密涂层，并采用激光熔覆原位合成技术在合适的激光工艺参数下制备了硬度与开裂 敏感性最佳组合的复合涂层。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
[0032] -、采用了改进的预置涂层法，减少了粘结剂的使用量，能够精确控制预置涂层厚 度，并且得到一层致密的预置涂层。该预置涂层在激光熔覆技术下能够获得的涂层具有较 少的气孔与裂纹，大大提高了涂层组织的重复性和机械性能。此预置涂层法根据实际经验 自行研究得到，国内外研究尚未报道过该预置涂层方法。
[0033] 二、设计一定比例的镍基合金粉末与碳化物陶瓷粉末作为熔覆材料。该熔覆材料 在激光熔覆过程中能够与钛合金基底发生良好的原位合成反应，可获得组织均匀、硬度高、 具有较低的开裂敏感性的优异耐磨的复合涂层。
[0034] 三、涂层中主要增强相为1182与TiGTiBs被认为是钛基复合材料最好的增强相之 一，其与TiB相同在a-Ti和P-Ti中有着很好的稳定性，与基体的热膨胀系数相差很小且 在基体和增强相之间没有反应产物生成。而TiC作为钛基复合材料增强相是因为TiC与钛 合金具有相近的泊松比，并且其弹性模量为440GPa，约为钛合金的4倍，密度为4. 99g/cm3， 比钛合金（4. 5g/cm3)略高。原位自生增强相具有十分突出的优点：（1)增强体与基体材料 具有很好的热力学稳定性，在高温环境中服役时不易破坏；（2)界面洁净，结合牢固；(3)原 位自生的增强体尺寸更加细小，分布均匀，具有优良的机械性能。
[0035] 本发明可以有效降低粘结剂的使用量，使预置涂层的厚度可控并且致密度高，在 激光熔覆技术下原位合成一种组织均匀，硬度高，具有较低开裂敏感性和优异耐磨性能的 TiB 2/TiC增强Ti2Ni/TiNi双相金属化合物基复合涂层。能够解决钛合金表面耐磨损、耐腐 蚀性能较差等缺点，可应用于航空航天器、舰海舰船上的钛合金零件，以及耐酸栗、耐酸阀 钛合金部件的改性。
【附图说明】
[0036] 图1为实施例1中所制备复合涂层横截面的SEM照片；
[0037] 图2为实施例1中所制备复合涂层的典型组织SEM照片；
[0038] 图3为实施例1中所制备复合涂层界面的SEM照片；
[0039]图4为实施例1中所制备复合涂层横截面硬度分布曲线；
[0040] 图5为实施例1中所制备复合涂层断裂韧度光学照片
[0041] 图6为实施例1中所制备复合涂层磨损轮廓图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0043] 实施例1
[0044] a)熔覆材料的组分设计，设计4种不同比例镍基合金粉末与碳化物陶瓷组分如表 1所示：
[0045] 表1不同比例镍基合金粉末与碳化物陶瓷组分
[0046]
[0047]
[0048] b)组分1的复合涂层制备工艺包括下列步骤:
[0049] (1)称取上述质量比例的镍基合金粉末与碳化物陶瓷粉末，将粉末充分搅拌研