Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金及其對(duì)鈦合金表面處理的方法
【專利說(shuō)明】A1-Co-Cr-Cu-Nb-S 1-T 1-V多主元合金及其對(duì)鈦合金表面處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料表面處理和強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金及其對(duì)鈦合金表面處理的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]鈦及鈦合金具有比重低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、抗腐蝕性能強(qiáng)和在高溫條件下力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域中有逐漸增多的應(yīng)用。但由于鈦合金存在摩擦系數(shù)高并且波動(dòng)較大、耐磨性不好、達(dá)到一定溫度后抗氧化性能低、容易被點(diǎn)燃并且火焰有自發(fā)蔓延的傾向等問(wèn)題，這些問(wèn)題使其更廣泛的應(yīng)用受到了限制。由于鈦合金的這些問(wèn)題大多數(shù)不是由材料整體性能所導(dǎo)致的，而主要與表面性能相關(guān)，所以用表面改性技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題是一個(gè)比較理想的選擇。
[0004]表面改性技術(shù)在提高表面性能的同時(shí)，保持了鈦合金整體力學(xué)性能以及比重低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。微弧氧化、等離子噴涂、超音速噴涂、離子注入、電子束沉積、激光氮化、雙層輝光離子滲等技術(shù)都可被應(yīng)用于鈦合金表面改性；然而雖然這些技術(shù)在改善鈦合金的摩擦磨損、高溫氧化、阻燃等性能方面取得了一定效果，但是這些表面技術(shù)也都有各自的局限性，普遍存在著或涂覆層薄，或抗沖擊性能差，或與基體結(jié)合弱，或顯著降低基體疲勞性能等缺點(diǎn)，不能滿足當(dāng)前的需求，因此需要發(fā)展具有更高性能的涂層材料及制備技術(shù)。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:如何提供Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金及其對(duì)鈦合金表面處理的方法，使該表面涂層與鈦合金基體冶金結(jié)合，能同時(shí)提高鈦合金的耐磨性和抗高溫氧化性，并能防止鈦火。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金，以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下組分:12~20份V、12-20份Cr、12-20份A1、12~20份S1、12-20 份 Cu、1-10 份 T1、10-18 份 Co 和 10-18 份 Nb。
[0007]上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，包括如下步驟:
1)將鈦合金基材用丙酮或無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，并進(jìn)行噴砂粗化處理；
2)按照上述配方配制多主元合金粉末，用等離子噴涂設(shè)備將配好的多主元合金粉末噴涂在步驟1)處理后的鈦合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度為_100~+500目；噴涂過(guò)程中進(jìn)行氬氣保護(hù)，噴涂厚度為0.3-0.6 mm ；
3)使用最大功率多1000W的C02激光器對(duì)步驟2)處理后的等離子噴涂表面進(jìn)行重熔處理，重熔過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行冷卻和保護(hù)，在鈦合金表面制得所述多主元合金涂層；其中，控制流量為1.5-2.5 L/min，調(diào)節(jié)激光功率范圍為600-900 W，掃描速率為3_5 mm/s，光斑直徑為 3-4.5 mm。
[0008]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明制備的多主元合金涂層利用了多主元合金的高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、納米相強(qiáng)化、超高晶格畸變和“雞尾酒效應(yīng)”等特點(diǎn)，通過(guò)各元素的協(xié)同配伍作用，使鈦合金表面的耐磨和抗高溫氧化性能顯著提高，能夠防止鈦火；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，覆有該涂層的鈦合金相對(duì)耐磨性是鈦合金基體的3.1-4.0倍，氧化增重是鈦合金基體的0.29-0.34倍，在阻燃試驗(yàn)中也并沒(méi)有燃燒現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生了意想不到的技術(shù)效果。
[0009]2、本發(fā)明在鈦合金表面采用噴涂-激光重熔方法制備多主元合金涂層，結(jié)合采用重熔處理，利用熱源將合金中最易熔化的成分熔化，產(chǎn)生的液相有助于擴(kuò)散過(guò)程的強(qiáng)化和成分的滲透，熔化的結(jié)果使熱噴涂涂層與基體的結(jié)合區(qū)由原來(lái)堆疊的層狀組織變?yōu)橹旅芎洼^均勻的組織，孔隙減少甚至消失，改善了涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度和涂層內(nèi)在質(zhì)量，促進(jìn)不同元素的均勻熔合，發(fā)揮出設(shè)計(jì)成分應(yīng)有的協(xié)同配伍效果。
[0010]
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施案例在以本發(fā)明技術(shù)為前提下進(jìn)行實(shí)施，現(xiàn)給出詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明具有創(chuàng)造性，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于以下的實(shí)施例。下述實(shí)施例中使用的化學(xué)藥品如無(wú)特殊說(shuō)明，即為普通市售產(chǎn)品。
[0012]實(shí)施例1
一、Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金，以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下成分:12份V，13份Cr, 15 份 A1，14 份 Si，19 份 Cu，1 份 Ti，15 份 Co，11 份 Nb。
[0013]二、上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，包括如下步驟:
1)對(duì)TC4鈦合金基材用丙酮進(jìn)行清洗；清洗完成后，進(jìn)行噴砂粗化處理。
[0014]2)用等離子噴涂設(shè)備將配比好的多主元合金粉末噴涂在步驟1)處理后的鈦合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度為_200~+350目；噴涂過(guò)程中進(jìn)行氬氣保護(hù)，厚度0.3 mm。
[0015]3)采用最大功率為5 kW的TJ-HL-T5000型C02激光器對(duì)步驟2)處理后的等離子噴涂表面進(jìn)行重熔處理，重熔過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行冷卻和保護(hù)，經(jīng)激光重熔加工后可以得到致密、結(jié)合強(qiáng)度較高的多主元合金涂層；其中，控制流量為2.0 L/min，調(diào)節(jié)激光功率為680 W，掃描速率為5 mm/s，光斑直徑為4.5 mm，搭接率為30%。
[0016]將本實(shí)施例制得的具有多主元合金涂層的鈦合金和TC4鈦合金基體，在空氣中與GCrl5對(duì)摩1小時(shí)，結(jié)果顯示帶有涂層的鈦合金相對(duì)耐磨性是TC4鈦合金基體的3.1倍。在800°C空氣中對(duì)帶有涂層和不帶有涂層的鈦合金進(jìn)行氧化50小時(shí)，結(jié)果顯示帶有涂層的鈦合金氧化增重是鈦合金基體的0.34倍。阻燃試驗(yàn)采用液滴法進(jìn)行，將熔化并燃燒的TC4鈦合金液滴滴到TC4鈦合金試樣表面，試樣很快與液滴一起燃燒，而將熔化并燃燒的鈦合金液滴滴到涂層試樣表面時(shí)，直到液滴燒燼，所有參與試驗(yàn)的帶有涂層的鈦合金試樣均沒(méi)有燃燒；實(shí)驗(yàn)表明該涂層提高了鈦合金的耐磨阻燃抗高溫氧化性能。
[0017]實(shí)施例2
一、Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金，以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下成分:16份V，15份Cr, 12 份 A1，13 份 Si, 14 份 Cu, 3 份 Ti，13 份 Co, 14 份 Nb。
[0018]二、上述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，包括如下步驟:
1)對(duì)TA15鈦合金基材用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗；清洗完成后，進(jìn)行噴砂粗化處理。
[0019]2)用等離子噴涂設(shè)備將配比好的多主元合金粉末噴涂在步驟1)處理后的鈦合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度為_200~+350目；噴涂過(guò)程中進(jìn)行氬氣保護(hù)，厚度0.5 mm。
[0020]3)采用最大功率為5 kW的TJ-HL-T5000型C02激光器對(duì)步驟2)處理后的等離子噴涂表面進(jìn)行重熔處理，重熔過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行冷卻和保護(hù)，經(jīng)激光重熔加工后可以得到致密、結(jié)合強(qiáng)度較高的多主元合金涂層；其中，控制流量為2.0 L/min，調(diào)節(jié)激光功率為860 W，掃描速率為3 mm/s，光斑直徑為3.5 mm，搭接率為30%。
[0021]將本實(shí)施例制得的具有多主元合金涂層的鈦合金和TA15鈦合金基體，在空氣中與GCrl5對(duì)摩1小時(shí)，結(jié)果顯示帶有涂層的鈦合金相對(duì)耐磨性是TA15鈦合金基體的4.0倍。在800°C空氣中對(duì)帶有涂層和不帶有涂層的鈦合金進(jìn)行氧化50小時(shí)，結(jié)果顯示帶有涂層的鈦合金氧化增重是鈦合金基體的0.29倍。阻燃試驗(yàn)采用液滴法進(jìn)行，將熔化并燃燒的TA15鈦合金液滴滴到TA15鈦合金試樣表面，試樣很快與液滴一起燃燒，而將熔化并燃燒的鈦合金液滴滴到涂層試樣表面時(shí)，直到液滴燒燼，所有參與試驗(yàn)的帶有涂層的鈦合金試樣均沒(méi)有燃燒；實(shí)驗(yàn)表明該涂層提高了鈦合金的耐磨阻燃抗高溫氧化性能。
[0022]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金，其特征在于，以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下組分:12-20 份 V、12-20 份 Cr、12-20 份 A1、12?20 份 S1、12?20 份 Cu、1-10 份 T1、10-18 份 Co 和10-18 份 Nb。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金，其特征在于，以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下組分:16份V、15份Cr、12份A1、13份S1、14份Cu、3份T1、13份Co和14份Nb。3.權(quán)利要求1或2所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將鈦合金基材用丙酮或無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，并進(jìn)行噴砂粗化處理； 2)按照權(quán)利要求1或2任一所述配方配制多主元合金粉末，用等離子噴涂設(shè)備將配好的多主元合金粉末噴涂在步驟1)處理后的鈦合金基材表面；其中，所述多主元合金粉末的粒度為_100~+500目；噴涂過(guò)程中進(jìn)行氬氣保護(hù)，噴涂厚度為0.3-0.6 mm ； 3)使用最大功率多1000W的C02激光器對(duì)步驟2)處理后的等離子噴涂表面進(jìn)行重熔處理，重熔過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行冷卻和保護(hù)，在鈦合金表面制得所述多主元合金涂層；其中，控制流量為1.5-2.5 L/min，調(diào)節(jié)激光功率范圍為600-900 W，掃描速率為3_5 mm/s，光斑直徑為 3-4.5 mm。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟2)中所述多主元合金粉末的粒度為_200~+350目。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟2)中所述噴涂厚度為0.5 mm。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟3)中調(diào)節(jié)激光功率為860 Wo7.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟3)中掃描速率為3 mm/s。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟3)中光斑直徑為3.5 mm。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述Al-Co-Cr-Cu-Nb-S1-T1-V多主元合金對(duì)鈦合金表面處理的方法，其特征在于，步驟3)中控制搭接率為30%。
【專利摘要】本發(fā)明公開Al-Co-Cr-Cu-Nb-Si-Ti-V多主元合金及其對(duì)鈦合金表面處理的方法；所述合金以摩爾份數(shù)計(jì)，包括如下組分：12~20份V、12~20份Cr、12~20份Al、12~20份Si、12~20份Cu、1~10份Ti、10-18份Co和10-18份Nb；所述方法將鈦合金基材進(jìn)行清洗并噴砂粗化處理，用等離子噴涂設(shè)備將多主元合金粉末噴涂在鈦合金基材表面，最后用CO2激光器對(duì)等離子噴涂表面進(jìn)行重熔處理。本發(fā)明制備的多主元合金涂層利用了多主元合金的高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、納米相強(qiáng)化、超高晶格畸變和“雞尾酒效應(yīng)”等特點(diǎn)，顯著提高鈦合金的耐磨性和抗高溫氧化性，并防止鈦火。
【IPC分類】C23C4/073, C23C4/18, C22C30/02, C23C4/134
【公開號(hào)】CN105331871
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510858287
【發(fā)明人】黃燦, 涂堅(jiān), 柴林江, 鄢樂(lè), 周志明, 黃福祥
【申請(qǐng)人】重慶理工大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日