一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法

摘要

一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法。本发明涉及一种钛合金表面高硬度耐磨复合材料涂层的制备方法。本发明目的是为了解决常用的钛合金表面高硬耐磨涂层制备工艺成本高，构件易弯曲变形，涂层与基体结合差，涂层厚度有限以及环境污染的问题。方法：一、对待接触面进行打磨；二、高温炉加热，去除不锈钢残留外皮；三、热轧；四、退火热处理。本发明用于钛合金表面热轧耐磨涂层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面高硬度耐磨复合材料涂层的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度低(4.5g/cm³)、比强度高、耐蚀性好、耐热性好、无磁等许多优点，在航空、航天、航海、汽车、化工、生物医学等领域具有广泛的应用。然而，钛及钛合金与钢和高温合金等金属相比，也具有硬度不高、耐磨性差等缺点，在耐磨构件上的应用受到限制；对于目前常采用的耐磨钢等材料，重量大搬运移动不方便，并且使构件能耗增加，性能降低；钛合金表面硬化耐磨处理可以大幅减小基体受载时产生摩擦损耗，其取代耐磨钢以及镍合金等构件有利于实现轻量化。目前常用的几种工艺制备耐磨涂层存在以下问题：1、采用激光熔覆方式制备钛合金表面耐磨涂层加热与冷却速度极快，涂层组织均匀细小，但设备昂贵，且制备环境要求高，工艺复杂；另外，熔池凝固收缩易产生弯曲变形，尤其是大尺寸构件的熔覆；2、等离子技术熔覆效率高，但噪音大，紫外线强会产生臭氧污染；3、热喷涂技术获得涂层不致密，并且与基体结合强度低；4、物理化学气相沉积技术所获得的涂层厚度小，难以满足高载荷使用条件。

轧制是常用于金属构件成型的一项工艺技术，使金属构件按规定方向延展变形，根据材料的性能特点可精确控制温度，采用热轧并配以合适的轧后热处理可提升材料的力学性能。利用热轧技术的高温与变形特点，将其用以制备钛合金表面高硬耐磨涂层从而减弱钛合金的摩擦损耗，与传统激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂等技术相比，具有十分明显的优势：1、将钛合金的变形工艺与耐磨层制备工艺结合为一步工艺，提高能源利用率；2、变形强化效果与表面耐磨硬化效果相结合，综合提升材料的力学性能；3、设计不同的原材料以及轧制工艺，可得到不同含量硬质相的耐磨层，耐磨性可控；4、通过轧制可避免由于凝固收缩引起的构件弯曲变形的问题；5、该工艺可制备大尺寸钛合金构件的耐磨层，并且对环境要求低。因此，热轧技术在钛合金变形与表面耐磨处理的综合改性方面应用价值极高，并且适合推广到工业生产。然而，目前关于采用热轧技术制备钛合金表面耐磨涂层的研究还未见报道。

发明内容

本发明是为了解决常用的钛合金表面高硬耐磨涂层制备工艺成本高，构件易弯曲变形，涂层与基体结合差，涂层厚度有限以及环境污染的问题，而提供一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法。

本发明的一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法按以下步骤进行：

一、将两块不锈钢板采用机械加工的方式加工成与Ti合金坯料表面相匹配的尺寸，然后分别对不锈钢板和Ti合金坯料的待接触面进行打磨，得到表面洁净的Ti合金坯料和两块表面洁净的不锈钢板；所述不锈钢板的厚度为5～10mm；

二、将Ti合金坯料置于两块表面洁净的不锈钢板中间，将待接触面对齐后叠放在一起，得到待处理件，将待处理件放入高温炉中以10℃/min速率将炉温升至1100～1300℃后，在温度为1100～1300℃的条件下保温30～120min，随后出炉去皮，得到待热轧件；

三、对待热轧件进行热轧，热轧过程中保持热轧温度在900℃以上，轧制变形量为20％～80％；

四、将热轧后的材料进行退火热处理，得到合金表面细小TiFe颗粒弥散分布的TiFe/Ti复合耐磨涂层。

本发明的有益效果：

本发明利用Ti-Fe共晶温度较低，二者化合物(TiFe)具有较高的硬度与良好的耐磨性，设计出一种TiFe化合物硬化钛合金基体的复合耐磨层；以不锈钢板材和钛合金坯料为原始材料，进行耐磨层的制备；通过控制加热温度、保温时间以及轧制变形量可以得到不同TiFe颗粒尺寸与含量的复合耐磨层；TiFe/TC4复合耐磨涂层洛氏硬度可达HRC52，而TC4合金基体的硬度仅为HRC31，因此钛合金表面硬度得以有效提升；并且还可以通过控制TiFe硬质相的尺寸与含量进一步提升涂层硬度。

附图说明

图1为实施例一中所述TiFe/Ti复合耐磨涂层的低倍微观形貌图；

图2为图1的局部放大图；

图3为采用砂轮对TiFe/Ti复合耐磨涂层进行打磨的效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法按以下步骤进行：

一、将两块不锈钢板采用机械加工的方式加工成与Ti合金坯料表面相匹配的尺寸，然后分别对不锈钢板和Ti合金坯料的待接触面进行打磨，得到表面洁净的Ti合金坯料和两块表面洁净的不锈钢板；

二、将Ti合金坯料置于两块表面洁净的不锈钢板中间，将待接触面对齐后叠放在一起，得到待处理件，将待处理件放入高温炉中以8℃/min～12℃/min速率将炉温升至1100～1300℃后，在温度为1100～1300℃的条件下保温30～120min，随后出炉去皮，得到待热轧件；

三、对待热轧件进行热轧，热轧过程中保持热轧温度在900℃以上，轧制变形量为20％～80％；

四、将热轧后的材料进行退火热处理，得到合金表面细小TiFe颗粒弥散分布的TiFe/Ti复合耐磨涂层。

本实施方式利用Ti-Fe共晶温度较低，二者化合物(TiFe)具有较高的硬度与良好的耐磨性，设计出一种TiFe化合物硬化钛合金基体的复合耐磨层；以不锈钢板材和钛合金坯料为原始材料，进行耐磨层的制备；主要经过三个流程：首先是原始材料表面去污清理平整化操作，随后是高温炉升温加热过程，以及最后的出炉热轧工艺；轧后配以相应热处理对材料的组织进行改善提升性能。

制备过程中由于Ti-Fe共晶温度较低，加热至1100℃便开始在不锈钢与钛合金基体的接触界面处产生共晶液相，随着保温时间的延长会产生更多的共晶液相；随后出炉去皮，将未反应的不锈钢去除，此时由于表面与空气接触降温较快，加热后的材料表面亮红色变暗，使得Ti-Fe共晶液相凝固形成高硬度的TiFe化合物层，但此时的化合物层脆性大并且与Ti合金基底的结合差；为了进一步解决脆性大与结合性差的问题，去皮后立即进行轧制，可将TiFe化合物层破碎与细化，并通过挤压均匀镶嵌进入延展性良好的Ti合金基体表面上。由于，此时Ti合金基体温度仍然很高(>900℃)轧制过程中不易出现开裂现象，若去皮时间较长导致温度降低幅度大可重新回炉加热至900℃以上进行轧制，轧后的材料表面耐磨层则是由细小的TiFe化合物颗粒均匀分布在Ti合金基体中，通过破碎以及镶嵌入塑性良好的Ti基体中可显著改善耐磨层的韧性以及与基体的结合性。同时，轧制过程可较好控制材料的形状，避免了大尺寸构件采用熔敷工艺制备耐磨层时由于熔池凝固收缩引起的弯曲变形的缺点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中单块不锈钢板的厚度为5～10mm。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中将待处理件放入高温炉中以10℃/min速率将炉温升至1100℃。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中将待处理件放入高温炉中以10℃/min速率将炉温升至1200℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中轧制变形量为30％。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中轧制变形量为40％。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中轧制变形量为50％。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中轧制变形量为60％。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中所述退火热处理的工艺为：在温度为750℃的条件下保温60min后空冷，随后将退火处理后的材料表面进行打磨。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种热轧制备钛合金表面高硬度耐磨TiFe/Ti复合材料涂层的方法按以下步骤进行：

一、将两块不锈钢板采用机械加工的方式加工成与Ti合金坯料表面相匹配的尺寸，然后分别对不锈钢板和Ti合金坯料的待接触面进行打磨，得到表面洁净的Ti合金坯料和两块表面洁净的不锈钢板；步骤一中单块不锈钢板的厚度为8mm；

二、将Ti合金坯料置于两块表面洁净的不锈钢板中间，将待接触面对齐后叠放在一起，得到待处理件，将待处理件放入高温炉中以10℃/min速率将炉温升至1100～1300℃后，在温度为1200℃的条件下保温60min，随后出炉去皮，得到待热轧件；

三、对待热轧件进行热轧，热轧过程中保持热轧温度在900℃以上，轧制变形量为60％；

四、将热轧后的材料进行退火热处理，得到合金表面细小TiFe颗粒弥散分布的TiFe/Ti复合耐磨涂层；步骤四中所述退火热处理的工艺为：在温度为750℃的条件下保温60min后空冷，随后将退火处理后的材料表面进行打磨。

本实施例通过控制加热温度、保温时间以及轧制变形量可以得到不同TiFe颗粒尺寸与含量的复合耐磨层；经检测TiFe/TC4复合耐磨涂层洛氏硬度可达HRC52，而TC4合金基体的硬度仅为HRC31，因此钛合金表面硬度得以有效提升，从图1～图3中可以看出砂轮打磨过程中硬质颗粒逐渐被磨损变细小，因此磨损过程中硬质TiFe颗粒能对Ti基体起到承载保护作用，降低磨损速率；并且还可以通过控制TiFe硬质相的尺寸与含量进一步提升涂层硬度。