一种钛合金表面原位制备Ti5Si3/TiC复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层的方法

本发明属于金属材料表面工程领域，尤其涉及一种超声等离子熔覆涂层的制备方法。

背景技术：

1、tc4钛合金材料因具备轻质、比强度大、耐腐蚀等优异的综合性能，被广泛的应用于航空航天，汽车船舶等领域。然而，在600℃工作温度下，钛合金的抗高温氧化性能急剧下降，这严重的限制了钛合金的发展。并且，钛合金还存在表面硬度低，摩擦系数大，耐磨性差等缺点。为了解决上述问题，一般对钛合金进行表面改性处理。

2、相比较于钛合金，陶瓷增强相的引入可以显著提高钛合金室温塑性和高温强度。sicp颗粒与ti在高温下易发生冶金反应生成ti5si3和tic增强相（8ti+3sic=3tic+ti5si3），该反应的吉布斯自由能∆g最小，反应最容易进行。ti5si3和tic颗粒具有较优异的性能，如弹性模量高，热稳定好，并且与钛合金基体有着良好的相容性、高温稳定性及抗氧化性能优异等。增强相的引入方式分为外加法和原位生成法，外加法引入的增强相与基体之间的界面结合力较弱，在磨损服役环境中的外加载荷作用下，增强相因较弱的界面结合力发生增强相颗粒剥落行为，引起磨粒磨损失效。原位法生成的增强颗粒细小均匀，弥散分布在基体中，具有清洁的增强相/基体界面，表现出优异的耐磨耐蚀性能。

3、鉴于上述问题的存在，本发明设计并开发了一种超声等离子弧熔覆原位制备ti5si3+tic相改性钛合金涂层的方法，采用同步送粉，将碳化硅粉末与纯钛粉末引入熔池中，实现原位制备ti5si3+tic相改性钛合金涂层，同时将超声信号通过隔离耦合装置自动耦合入等离子弧中，在电弧及熔池中激发出超声，凭借超声在电弧及熔池中的空化、声流等效应，减少涂层内部缺陷和细化ti5si3+tic相，从而制备高性能的ti5si3+tic相改性钛合金涂层。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的外加法钛合金表面增强相存在结合力弱的问题，发明一种钛合金表面原位制备ti-si/tic复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层的方法；它通过同步送粉，对钛合金熔池进行冶金调控，原位制备ti5si3+tic相改性钛合金涂层，同时将超声引入熔池中，对涂层进行超声处理，减少涂层内部缺陷和细化ti5si3+tic相颗粒，提高涂层力学性能。

2、本发明的技术方案是：

3、一种钛合金表面原位制备ti-si/tic复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层的方法，其特征是：采用同步送粉，将碳化硅粉末与纯钛粉末引入熔池中，实现原位制备ti5si3+tic相改性钛合金涂层，同时将超声信号通过隔离耦合装置自动耦合入等离子弧中，在电弧及熔池中激发出超声，凭借超声在电弧及熔池中的空化、声流效应，减少涂层内部缺陷和细化ti5si3+tic相，从而制备高性能的ti5si3+tic相改性钛合金涂层。

4、具体包括以下步骤：

5、步骤一：选用钛合金为基体材料，将钛合金在酸溶液中浸泡以去除氧化膜，冷水清洗后，将其表面用砂纸打磨，再用无水乙醇清洗，以对基体进行预处理；

6、步骤二：将碳化硅粉末和纯钛粉末分别充分干燥后，以20~30:70~80的质量比混合均匀而制成混合粉末；

7、步骤三：基于合理电气控制电路，连接超声电源与等离子弧焊接电源，将超声引入等离子弧熔覆过程中，并进行超声激励电信号参数的设定；

8、步骤四：启动等离子熔覆设备中的送粉系统，将步骤二中所得的混合粉末在通入保护气的条件下，通过同轴送粉通道将混合粉末汇聚于等离子弧热源，所述超声作用于等离子体和熔池，同时作用于熔融状的粉末本身；受热熔化的粉末与钛合金基体发生冶金反应，凝固后在钛合金表面形成一层弥散分布的ti5si3+tic钛基梯度涂层；

9、在步骤一中，所述的酸溶液以质量分数为40%hno3+5%hf组成，浸泡时间为3分钟。

10、在步骤一中，所述的砂纸的目数为150#。

11、在步骤二中，所述的碳化硅的粒度为10~20μm，纯钛粉末粒度为20~40μm。

12、在步骤三中，所述的超声电信号激励频率选定10~80khz，激励电压选定范围20v~90v。

13、在步骤四中，所述的等离子熔覆条件为：工作电流为50~250a，工作电压为5~30v，扫速0.01~2m/min，控制送粉气和等离子工作气的体积流量均为0.5~30l/min，保护气流量为5-20l/min。

14、在步骤四中，所述的等离子熔覆过程中，焊枪喷嘴距待加工表面7mm~10mm，焊枪钨极内缩4.5mm~5.5mm。

15、在步骤四中，所述的送粉气和保护气均为氩气，等离子工作气为ar+n2混合气，其中ar比例为70-90%。

16、本发明的有益效果是：

17、本发明创造性地采用成本相对低廉的sic和ti粉末作为熔覆材料，利用等离子弧作为热源，使得混合粉末与钛合金基体发生原位反应，一次性生成ti5si3+tic相；制造的ti5si3+tic相具有耐磨性优异，耐高温抗氧化的特点；

18、本发明通过设计科学合理的电气控制电路，使用超声频电源对常规等离子电弧进行激励，在电弧及熔池中激发出超声，凭借超声在电弧及熔池中的空化、声流等效应，实现减少气孔、细化晶粒及提高原位ti5si3+tic相改性钛合金涂层质量的目的。

19、本发明显著降低了钛合金的应用成本，成功结合了钛合金与ti5si3+tic相陶瓷的优点，提供一种可控性好、制备工艺简单、效率高、易于实现的高性能钛合金涂层的制备方法；

技术特征：

1.一种钛合金表面原位制备ti5si3-tic复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层的方法，其特征是：采用同步送粉，将碳化硅粉末与纯钛粉末引入熔池中，实现原位制备ti5si3+tic相改性钛合金涂层，同时将超声信号通过隔离耦合装置自动耦合入等离子弧中，在电弧及熔池中激发出超声，凭借超声在电弧及熔池中的空化、声流效应，减少涂层内部缺陷和细化ti5si3+tic相，从而制备高性能的ti5si3+tic相改性钛合金涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：它包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：在步骤一中，所述的酸溶液以质量分数为40%hno3+5%hf组成，浸泡时间为3分钟。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是：在步骤一中，所述的砂纸的目数为150#。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是：在步骤二中，所述的碳化硅的粒度为10~20μm，纯钛粉末粒度为20~40μm。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤三中，超声电信号激励频率选定10~80khz，激励电压选定范围20v~90v。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征是：在步骤四中，工作电流为50~250a，工作电压为5~30v，熔覆速度0.01~20m/min，控制送粉气和等离子工作气的体积流量为0.5~30l/min，保护气流量为5-20l/min。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征是：在步骤四中，所述的等离子熔覆过程中，焊枪喷嘴距待加工表面7mm~10mm，焊枪钨极内缩4.5mm~5.5mm。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤四中，所述的送粉气和保护气均为氩气，等离子工作气为ar+n2混合气，其中ar比例为70-90%。

技术总结一种钛合金表面原位制备Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;‑TiC复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层的方法，采用超声等离子弧熔覆工艺，通过将合金粉末混合后基于原位反应获得Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;‑TiC复相陶瓷颗粒增强钛基梯度涂层。本发明使用超声频电源对常规等离子电弧进行激励，在电弧及熔池中激发出超声，凭借超声在电弧及熔池中的空化、声流等效应，实现减少气孔、细化晶粒及提高原位Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;‑TiC相改性钛合金涂层质量的目的。本发明可控性好、制备工艺简单、效率高、易于实现，相比钛合金基体，本发明所制备的钛基梯度涂层在保证优异韧性前提下，涂层摩擦磨损性能提高50%以上，耐腐蚀性能提高30%以上，适合船舶、海洋等领域钛合金构件修复或表面改性使用。技术研发人员：李洪亮,曹洪洋,朱强,韩柯,王泽宇,陆云彬,雷玉成受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5