一种钛合金的复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钛合金的复合材料及其制备方法 (Composite material of titanium alloy and preparation method thereof ) 是由 仇庆凡 孙世波 李雨衡 景建元 赵海云 王艳玲 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于合金材料技术领域,涉及一种钛合金的复合材料及其制备方法。所述的复合材料以钛合金为基体,在基体表面涂覆WC基复合涂层,所述的WC基复合涂层由WC陶瓷相和金属粘结相组成,所述的WC陶瓷相用于提高硬度和耐磨性,所述的金属粘结相用于粘结所述的WC陶瓷相,提供塑韧性。利用本发明的钛合金的复合材料及其制备方法,能够使制得的复合材料解决钛合金表面硬度低和耐磨性差的问题,具有更高的硬度和强度。(The invention belongs to the technical field of alloy materials, and relates to a titanium alloy composite material and a preparation method thereof. The composite material takes titanium alloy as a substrate, a WC-based composite coating is coated on the surface of the substrate, the WC-based composite coating consists of a WC ceramic phase and a metal bonding phase, the WC ceramic phase is used for improving the hardness and the wear resistance, and the metal bonding phase is used for bonding the WC ceramic phase to provide the plasticity and toughness. By utilizing the titanium alloy composite material and the preparation method thereof, the prepared composite material can solve the problems of low surface hardness and poor wear resistance of the titanium alloy, and has higher hardness and strength.)
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，涉及一种钛合金的复合材料及其制备方法。
背景技术
钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等性能，目前主要应用于石油化工、航空航天、船舶及国防工业等领域。尽管钛合金具有众多优势，但在一些承载、相对运动或冲击场合下服役时，钛合金的硬度和耐磨性仍然存在一定的不足。通过表面改性技术可以有效解决这一问题。目前钛合金表面改性应用的主要方式有：氧化处理、表面沉积、表面渗层等。
氧化处理通过氧化在合金表面形成一层氧化物陶瓷层，降低钛合金的摩擦系数，提高表面硬度，但氧化后形成的氧化物薄膜通常呈多孔形式，导致摩擦系数不稳定。
表面沉积由于钛表面氧化膜的原因，导致镀覆层质量较差，膜层与基体结合强度较低。此外，激光涂覆、等离子涂覆可以获得致密的涂层结构，结合强度也显著提高，但涂覆过程的高温环境易导致钛合金材料的热变形和开裂。
表面渗层通过在表面形成碳化物或氮化物的陶瓷层来提高钛合金的表面硬度和强度，但这种方式得到的渗层厚度较小。此外，渗层不均匀和处理时间过长也是该方法目前的难点。
超音速火焰喷涂技术是近几年来应用广泛的一种表面改性工艺，其原理是燃料与氧气混合后在高压下被送至喷枪出口处的点燃区点燃，环状流动的热气流受到外围压缩空气流的压缩，使之加速成为超音速火焰，粉末在载气的作用下，被送到喷枪出口处进入火焰中，被焰流加热加速后在基板上形成涂层。超音速火焰喷涂通过结合热能和动能的方式制备涂层，所制备的涂层致密性好、结合强度高、力学性能稳定，其中应用较为广泛的为WC(碳化钨)基类金属陶瓷涂层。
综上所述，当前钛合金表面改性技术中存在以下问题：
(1)钛合金表面改性存在各种不足，钛合金硬度耐磨性提高有限，不能满足高载荷下的使用要求，采用等离子和激光制备涂层热输入大，基体变形、氧化现象严重；
(2)采用超音速火焰喷涂在钛合金基体上制备WC-Co类高硬耐磨涂层的工艺匮乏，涂层结合状态差，存在分层和孔洞的现象。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种钛合金的复合材料，以能够解决钛合金表面硬度低和耐磨性差的问题，具有更高的硬度和强度。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种钛合金的复合材料，所述的复合材料以钛合金为基体，在基体表面涂覆WC基复合涂层，所述的WC基复合涂层由WC陶瓷相和金属粘结相组成，所述的WC陶瓷相用于提高硬度和耐磨性，所述的金属粘结相用于粘结所述的WC陶瓷相，提供塑韧性。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种钛合金的复合材料，其中所述的WC基复合涂层的厚度为10～500微米。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种钛合金的复合材料，其中所述的金属粘结相为钴，其与所述的WC陶瓷相的质量比为1:3～9。
本发明的第二个目的是提供一种如上所述的复合材料的制备方法，以能够更好的制备如上所述的复合材料，制得复合材料能够解决钛合金表面硬度低和耐磨性差的问题，具有更高的硬度和强度。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种如上所述的复合材料的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
(1)对所述的基体进行预处理；
(2)在所述的基体表面采用超音速火焰喷涂技术喷涂所述的WC基复合涂层；
(3)对步骤(2)所得产物进行后处理。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的复合材料的制备方法，其中步骤(1)中，所述的预处理包括打磨和/或喷砂处理。喷砂材质可选用棕刚玉(化学成分为Al2O3)，粒度200～400μm，喷砂压力4～7MPa，喷砂时应注意喷砂枪不能垂直于基板表面，角度在70～80°为宜。喷砂后呈现的新鲜表面，应该防止污染，严禁用手触摸，保存在清洁干燥的环境中，喷砂后尽快喷涂，一般钛合金间隔不宜超过一个小时。喷砂的结果应使钛合金表面无油无锈，无金属光泽，表面粗糙度整体状态均匀。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的复合材料的制备方法，其中步骤(2)中，在喷涂前对喷涂的粉末进行干燥处理，干燥的温度为80～110℃，时间为20～40min。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的复合材料的制备方法，其中步骤(2)中，喷涂的氧气流量为800～1000L/min，煤油流量为0.3～0.4L/min，喷涂距离为300～400mm，运载气体氮气流量为9～13L/min。喷涂开始后，调整喷涂参数，焰流稳定后先对步骤(1)得到的钛合金基体进行预热1～2次，然后送粉，送粉稳定后进行喷涂，喷涂过程中每10道记录一次涂层厚度，直至得到满意厚度的涂层(HVOF制备涂层)。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的复合材料的制备方法，其中步骤(3)中，所述的后处理包括封孔和/或机械加工。在零件作为摩擦副时，可将喷涂后的零件浸入润滑油中，利用孔隙储油润滑。其他工况时，需对涂层进行封孔处理，封孔剂选用准则为：浸透性好、耐化学作用、不溶解、不变质。在工作温度下性能稳定，可以增强涂层作用。常用的封孔剂有石蜡、环氧、酚醛等。当喷涂后的尺寸精度和表面粗糙度不满足要求时，需要进行机械加工，可采用车削或磨削加工。
本发明的有益效果在于，利用本发明的钛合金的复合材料及其制备方法，能够使制得复合材料解决钛合金表面硬度低和耐磨性差的问题，具有更高的硬度和强度。
本发明的复合材料的WC基复合涂层中的WC陶瓷相具有媲美金刚石的硬度，为涂层提供了显著的硬度和耐磨性；金属粘结相钴可以使涂层具有良好的塑韧性。WC基复合涂层主要成分是WC，受超音速火焰喷涂的高温有氧环境影响，在复合涂层中还存在微量的缺碳相W2C、Co6W6C等，这些缺碳相作为硬质相，微量的存在可以进一步强化涂层。
本发明的有益效果具体体现在：
(1)通过超音速火焰喷涂技术直接在钛合金基体上制备高强高硬耐磨涂层，制备过程简单，效率高，涂层性能出色，可制备较厚的涂层；涂层组织致密性好，且制备过程对基体的热输入较小，不会对基体产生热影响。
(2)通过调整喷涂工艺参数，制备的涂层与基体结合状态良好，无分层和孔洞的存在。
(3)成本低廉，受工件形状限制较小。
附图说明
图1为实施例1制备的复合材料的复合涂层的微观组织形貌图。
图2为实施例1制备的复合材料的复合涂层和未涂覆复合涂层的钛合金基体的硬度检测结果对比图。
图3为实施例1未涂覆复合涂层的钛合金基体的磨痕形貌检测结果图。
图4为实施例1制备的复合涂层的钛合金复合材料的磨痕形貌检测结果图。
图5为实施例2制备的复合材料的复合涂层的微观组织形貌图。
图6为实施例2制备的复合材料的复合涂层和未涂覆复合涂层的钛合金基体的硬度检测结果对比图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。实施例1：钛合金的复合材料的制备与检测(一)
选择TC611(成分组成按重量百分比为：铝4-7％、铁0.2-2.5％、铬0.1-2％、锡0.1-2％、硅0.1-0.5％，其余为钛和不可避免的杂质)作为钛合金基体材料，钛合金基体在喷涂前进行喷砂处理，除去表面油污、氧化物，同时增加表面粗糙度。喷砂选用棕刚玉(化学成分为Al2O3)，粒度300μm，喷砂压力5MPa。喷砂后的表面用压缩空气吹去浮砂，禁止用手触摸，放在无尘干燥处等待喷涂，间隔时间不得超过一个小时。
采用美国Praxair JP-5000型超音速火焰喷涂系统，设置喷枪机械臂程序，保证喷涂面全部覆盖，调整参数到氧气流量为940L/min，煤油流量为0.36L/min，喷涂距离为350mm，运载气体氮气流量为11L/min。观察火焰稳定后进行一遍预热，然后打开开关送粉(粉末采用洛阳金鹭生产的WC-12wt.％Co热喷涂粉末)，观察焰流反应，待送粉稳定后，开始喷涂。喷涂每十道暂停一次，测量涂层厚度，同时给样品进行降温，直至涂层厚度达到180微米。
制得涂层后观察，涂层和基体表面存在轻微氧化现象，这是由于钛合金导热性能较差，温度累积较高产生的。制备后的样品，采用线切割和磨抛机进行机械加工，切割和打磨，制备所需的检测试样。采用扫描电镜(SEM)观察涂层的截面显微组织形貌，结果如图1所示。由图1可以看出，涂层内部组织致密，与基体结合状态较好，不存在明显的孔洞和裂纹。采用维氏硬度计测量涂层和未涂覆涂层钛合金基体的维氏硬度，载荷30Kg，保载时间15s，其结果如图2所示。图2表明涂覆涂层后样品的表面硬度得到显著提高，较未涂覆涂层的钛合金基体提高了1.65倍。采用往复式摩擦磨损试验仪对涂覆涂层的样品和未涂覆涂层的样品进行耐磨性测试，磨损载荷80N，往复距离5mm，运行时间30min，主机转速500r/min，其各自的磨痕结果分别如图4、3所示。图4、3表明涂覆涂层后磨损量显著降低，磨痕深度和宽度大幅度减小，磨痕处的粗糙度降低，磨损形式也发生改变。实施例2：钛合金的复合材料的制备与检测(二)
选择TC4(重量百分比组成：Ti-6Al-4V)作为钛合金基体材料，钛合金基体在喷涂前进行喷砂处理，除去表面油污、氧化物，同时增加表面粗糙度。喷砂选用棕刚玉(化学成分为Al2O3)，粒度300μm，喷砂压力5MPa。喷砂后的表面用压缩空气吹去浮沙，禁止用手触摸，放在无尘干燥处等待喷涂，间隔时间不得超过一个小时。
采用美国Praxair JP-5000型超音速火焰喷涂系统，设置喷枪机械臂程序，保证喷涂面全部覆盖，调整喷涂参数为氧气流量850L/min，煤油流量0.32L/min，喷涂距离350mm，运载气体氮气流量11L/min。观察火焰稳定后进行一遍预热，然后打开开关送粉(粉末采用洛阳金鹭生产的WC-12wt.％Co热喷涂粉末)，观察焰流反应，待送粉稳定后，开始喷涂。喷涂每十道暂停一次，测量涂层厚度，同时给样品进行降温，直至涂层厚度达到180微米。
如图5所示，制得涂层内部结构较为致密，煤油流量降低后，焰流温度降低，涂层和基体的氧化程度降低；但在涂层与基体的结合处存在一些孔洞，说明结合强度有所降低，这是因为氧气流量降低后，颗粒速度降低，动能减小，在沉积之后颗粒的变形程度较低，同时温度降低后同样会对结合强度产生一定的不利影响。采用维氏硬度计测量涂层和未涂覆涂层钛合金基体表面的维氏硬度，载荷30Kg，保载时间15s，其结果如图6所示。图6表明涂覆涂层后样品的表面硬度得到显著提高，较未涂覆涂层的钛合金基体提高了1.7倍。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。