一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法

摘要

本发明涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度涂层及制备方法。所述复合梯度涂层为：在钛合金表面原位生成第1梯度层，然后依次在第N‑1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti5Si3弥散增强Al3Ti基复合梯度层；在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i‑1梯度层中Ti5Si3的含量，同时所述第i梯度层中Ti5Si3的含量大于第i+1梯度层中Ti5Si3的含量；第1梯度层至第i梯度层以及第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti5Si3的含量随层数的增加而依次递增；所述i大于等于2小于等于N‑1。

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层及制备方法。

背景技术

钛合金具有低密度、高强度、高模量及其耐腐蚀和生物相容性好等优异的物理化学性能，已广泛被应用于航空航天、机械、化工和生物医疗等领域。但由于其硬度低、耐磨性能差和高温易发生氧化等缺点，限制其作为高温、磨损等零部件的应用。由于磨损和氧化主要发生在材料表面，通常采用表面改性技术，在钛合金表面制备硬度高、抗高温氧化和耐磨损的涂层，改善钛合金的摩擦学性能及其高温抗氧化性能。

目前，热喷涂、化学气相沉积、微弧氧化和激光粉末沉积等方法被广泛用于钛及钛合金的表面改性。相比激光粉末沉积，其它方法工艺比较复杂，制备涂层的步骤比较多。而激光粉末沉积，通过激光辐射在钛合金表面形成熔池，同时利用送粉器将粉末注入熔池内，粉末熔化并与熔池内熔融钛合金反应，原位生成表面涂层。现有采用激光粉末沉积法所制备的Al₃Ti基复合涂层中，一般采用单层均匀材质；这导致一旦涂层开始出现纵向损伤；后期的磨损速度就会急剧加快。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层及制备方法。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；在钛合金表面原位生成第1梯度层，在第1梯度层上原位生成第2梯度层，在第2梯度层上原位生成第3梯度层，依次类推，直至在第N-1梯度层上原位生成第N梯度层；任意一梯度层均为Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度层；

在所有的涂层中存在第i梯度层，所述第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i-1梯度层中Ti₅Si₃的含量，同时所述第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i+1梯度层中Ti₅Si₃的含量；

第1梯度层至第i梯度层中，Ti₅Si₃的含量随层数的增加而依次递增；

第i+1梯度层至第N梯度层中，Ti₅Si₃的含量随层数的增加而依次递增；

所述i大于等于2小于等于N-1。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；单个梯度层的厚度为50-300微米。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti₅Si₃的体积百分含量小于等于10％。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；在任意一涂层中Ti₅Si₃呈纳米和/或微米颗粒弥散分布于Al₃Ti基体中。

作为优选方案，本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；第1梯度层中Ti₅Si₃的体积百分含量为3-5％。本发明中，第p梯度层中Ti₅Si₃的体积百分含量为第p-1梯度层中Ti₅Si₃的体积百分含量的1.05-1.1倍；所述p小于等于i。同时第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i-1梯度层中Ti₅Si₃的含量，同时所述第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i+1梯度层中Ti₅Si₃的含量。作为优选，当N为整数时，i＝N/2；当N为奇数时，i＝(N+1)/2，所述N大于等于4。进一步优选，所述N大于等于6。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；

步骤一

以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按原子比89：10：1组成；

步骤二

以粉末A和Ti粉的混合粉末作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；

步骤三

更换原料，重复步骤二，在第q层梯度层上沉积第q+1梯度层；沉积第q+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第q层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；所述q+1小于等于i；所述i＝N/2或(N+1)/2，所述N为所设计梯度层的总层数；

步骤四

更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第i梯度层上沉积第i+1梯度层；沉积第i+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i层梯度层所用原料中Ti含量的0.9-0.98倍；

步骤五

更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第i+s梯度层上沉积第i+s+1梯度层；沉积第i+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第i+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05-1.1倍；直至得到第N梯度层。

在工业上应用时，可以按设计组分配置好各原料；也可在送粉过程中，通过气流各组分原料，最后通过气流对喷的方式混料；如管道G1输送粉料A；管道G2输送Ti粉；管道G1的出粉口正对管道G2的出粉口，通过控制气流的载分量和气体流速，控制Ti粉和粉料A的比例；通过对喷，实现其均匀混合，均匀混合后，通过输送设备铺设于指定位置。

本发明一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层的制备方法；激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，

激光功率为100-220W、优选为180-205W；

激光扫描速度为200-700mm/s、优选为280-320mm/s；

Ti6Al4V送粉量为0.1-0.5cm³/min、优选为0.15-0.25cm³/min。

本发明所设计和制备的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层；其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti₅Si₃的Al₃Ti基涂层的1.5倍以上。

尤其是在高温条件下，其耐磨性能为同等厚度条件下含Ti₅Si₃的Al₃Ti基涂层的2.2倍以上。

原理和优势

涂层在使用过程中，裂纹和显微剥落是难以避免的；本发明一改当前耐磨涂层的设计理念，即在磨损过程中不产生裂纹和显微剥落这一设计理念；本发明在涂层设计时，秉承的原则为：使用初期或者使用前要尽量避免裂纹的产生和显微剥落现象的出现，一旦出现了细微裂纹和显微剥落，靠近基底的涂层还必须具备实现细微裂纹的自修复功能。本发明巧妙的在梯度层中，设计了第i梯度层，所述第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i-1梯度层中Ti₅Si₃的含量，同时所述第i梯度层中Ti₅Si₃的含量大于第i+1梯度层中Ti₅Si₃的含量；这样设计为第i层以及第i以下涂层的自修复提供了必要条件。

本发明在原位生成的Al₃Ti高温涂层中得到弥散的Ti₅Si₃；Ti₅Si₃具有低密度(4.26g/cm³)、高硬度(900-1000HV)、高熔点(2130℃)等特点，有利于提高涂层的耐磨、耐高温性能，同时弥散分布的Ti₅Si₃有利于减小材料的内部应力，缓解裂纹的产生。

附图说明

图1为本发明所设计梯度涂层的结构示意图；

图2为本发明实施例1所得产品中第1梯度层的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

一种钛合金表面原位生成的Ti₅Si₃弥散增强Al₃Ti基复合梯度涂层的制备方法；包括下述步骤；

步骤一

以表面清洁干燥的钛合金作为基底；以粉末A作为作为原料1，采用激光粉末沉积工艺在基底上沉积第1梯度层；所述粉末A由Al、Si、Mg按质量比89：10：1组成；第1梯度层的厚度为100微米；

步骤二

用粉末A和Ti粉作为原料2，采用激光粉末沉积工艺在第1梯度层上沉积第2梯度层；所述原料2中，按摩尔比计Ti元素:(Al+Si+Mg)＝1:3；第2梯度层的厚度为100微米；

步骤三

更换原料，重复步骤二，在第2层梯度层上沉积第3梯度层；沉积第3梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第2层梯度层所用原料中Ti含量的1.05倍，第3梯度层的厚度为150微米；

步骤四

更换原料，采用激光粉末沉积工艺在第3梯度层上沉积第4梯度层；沉积第4梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第3层梯度层所用原料中Ti含量的0.95倍；第4梯度层的厚度为100微米；

步骤五

更换原料，重复步骤四；采用激光粉末沉积工艺在第3+s梯度层上沉积第3+s+1梯度层；沉积第3+s+1梯度层所用原料中Ti的含量为沉积第3+s层梯度层所用原料中Ti含量的1.05倍；直至得到第6梯度层。所述s大于等于1小于等于3；第5梯度层的厚度为100微米；第6梯度层的厚度为100微米；

在本实施例中，通过气流运载各组分原料，最后通过气流对喷的方式混料；如管道G1输送粉料A；管道G2输送Ti粉；管道G1的出粉口正对管道G2的出粉口，通过控制气流的载分量和气体流速，控制Ti粉和粉料A的比例；通过对喷，实现其均匀混合，均匀混合后，通过输送设备铺设于指定位置。

本实施例中，激光粉末沉积工艺沉积梯度层时，

激光功率为200W；

激光扫描速度为300mm/s；

总送粉量为0.2cm³/min。

对比例1

不采用梯度设计，直接制备和实施例1一样厚的涂层(其涂层的组成和本发明第1梯度层的组成完全一致)，其采用的激光粉末沉积工艺也和实施例1完全一致。

将实施例1和对比例1在相同的条件下进行滑动磨损试验(对磨球：Si₃N₄速度：600转/min，载荷20N)，每隔30min观测一次磨损情况，1小时后，对比例1所得样品开始出现肉眼观测到的磨损。暂停磨损实验，此时实施例1所得产品磨损率为0.623×10^-3mm³/m；而对比例1所得产品的磨损率却高达0.794×10^-3mm³/m；继续磨损实验5小时；此时实施例1所得产品的磨损率仅为0.84×10^-3mm³/m，而对比例1的磨损率却高达1.065×10^-3mm³/m。