一种采用气体预渗氮TC4粉末制备熔覆层的方法

本发明属于粉末冶金及增材制造，尤其是涉及一种采用气体预渗氮tc4粉末制备熔覆层的方法。

背景技术：

1、tc4钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀和生物相容性较好等特点，但其摩擦系数较高、抗黏着磨损能力不足，表面在重载、滑动或高温环境下容易发生塑性变形和磨损。等离子熔覆能够在基体表面形成冶金结合层，是提高钛合金表面硬度、耐磨性和耐高温氧化性能的重要方法。tin和ti2n具有较高硬度、化学稳定性和耐磨性，现有复合熔覆层通常采用直接加入tin颗粒、在氮气气氛中原位反应生成tin，或者加入含b、c、n元素的反应粉末形成tib、tic、tin等增强相；上述方法虽可提高熔覆层的硬度，但存在混粉偏析、高熔点陶瓷颗粒未充分熔化、送粉堵塞、熔池内分布不均以及局部脆化等问题。气体渗氮是使氮在钛及钛合金表面吸附、反应和扩散的热化学处理过程，以tc4为渗氮基材时，氮可先在α-ti中形成间隙固溶体α-ti(n)，随温度和时间增加可形成ti2n和tin；与块材长时间深层渗氮不同，粉末可利用较大的比表面积完成短时渗氮，在保留金属粉末可熔性和送粉性能的同时赋予每个粉末颗粒较均匀的含氮表层，为熔覆过程中氮元素均匀输入和原位析出提供条件。

2、在申请号为：200910074595.4 ，公开了一种反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，该方法采用传统直流钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂石墨粉的钛及钛合金基体作为阳极，在氮气保护下利用氮弧堆焊，在钛及钛合金基体表面反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层。用本发明制备的碳氮化钛增强钛基复合涂层厚度大，与基体呈冶金结合，结合强度高，涂层硬度高，耐磨性好。但该申请仍存在涂层成分均匀性难以控制的问题，预涂石墨粉仅能提供表层碳源，无法保证堆焊过程中碳元素持续稳定供给，且依靠氮气气氛供氮仍难以避免氮元素吸收不稳定的问题，难以实现规模化稳定生产。综上所述，现有技术存在以下缺点：

3、（1）直接加入tin或其他陶瓷颗粒时，陶瓷相与tc4粉末在粒径、密度、形貌和流动性方面存在差异，储存、混粉和送粉过程中容易发生偏析，难以保证每一时刻进入熔池的增强相比例稳定；

4、（2）tin熔点高，直接加入tin颗粒进行熔覆时可能发生未熔、半熔或团聚等现象；加入过细tin颗粒有可能造成送粉器架桥、管路附着和粉末损失；

5、（3）仅依靠熔覆过程中的氮气反应供氮时，氮的吸收受等离子弧长度、载气流量、熔池温度、停留时间和局部保护状态影响，容易出现含氮量波动、气孔或局部过度氮化；

6、（4）传统块材气体渗氮通常温度较高、时间较长，而且渗氮层厚度通常较低；采用渗氮粉末进行熔覆，能够极大的缩短渗氮时间，同时有效地提高渗氮层的厚度。

7、因此，亟需一种采用气体预渗氮tc4粉末制备熔覆层的方法，通过对tc4粉末预先进行气体渗氮处理，从源头上解决了熔覆过程中增强相偏析、分布不均和供氮不稳定的问题，可获得硬度高、耐磨性好、组织均匀的tin增强钛基熔覆层。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种采用气体预渗氮tc4粉末制备熔覆层的方法，以解决现有钛基复合熔覆层制备过程中因外加氮化物颗粒而造成的偏析、堵粉、难熔化等问题，以及反应性氮气熔覆过程中氮输入不稳定的问题；同时解决tc4粉末气体渗氮时容易因温度过高、保温时间过长或粉层过厚而发生结块、色变和送粉性能下降的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种采用气体预渗氮tc4粉末制备熔覆层的方法，该方法包括如下步骤：

4、s1、tc4粉末的干燥：选用tc4合金雾化粉末，粉末粒径为80～110 μm，粉末为球形或近球形，对粉末进行筛分，去除超细粉、异物和原始硬团聚，随后将粉末均匀置于容器中，在真空或者惰性气氛下，采用120 ℃干燥2小时以上，以减少粉末表面的吸附水和挥发性污染物，干燥后的粉末应避免长时间暴露于潮湿空气，必要时在干燥氩气或氮气环境中转移和封存，避免干燥粉末返潮；

5、s2、tc4粉末的薄层平铺；将干燥后的tc4粉末平铺在刚玉坩埚、氧化铝浅盘或其他与钛粉不发生反应的耐高温容器中，粉层厚度为0.5～5 mm，优选约1.0 mm；粉层不压实，以保证氮气对粉末床层的有效接触；

6、s3、炉内抽真空与氮气置换：将盛放干燥粉末的容器置于真空管式炉恒温区；密封炉管后抽真空至不高于10 pa，随后再充入纯度不低于99.9 %的氮气至接近常压，上述抽真空-充氮操作重复次数不少于3次，降低炉内残余氧和水汽；

7、s4、连续氮气流下预渗氮：将管式炉采用非承压连续流动方式，出口保持畅通并置于含水容器中，完成气氛置换后持续通入高纯氮气，氮气纯度不低于99.9 %，流量为0.05～2 l/min，使得氮气流量应满足气氛更新的同时避免直接吹动薄粉层；待观察到管式炉出口处出现连续且均匀的气泡时开始进行高温渗氮，渗氮温度为600～1100 ℃，保温时长为10～90 min，升温速率为1～15 °c/min；

8、s5、渗氮粉末的保护冷却：保温结束后，在氮气或氩气等惰性气体的保护下冷却至不高于100 °c时开炉取粉，取出的粉末采用轻柔振动、滚动或低能量解聚并复筛，在最佳工艺下，粉末颗粒保留以α-ti/β-ti为主的tc4金属芯，近表层形成含氮间隙固溶区以及tin为主、可伴少量ti2n的tinx相；

9、s6、钛合金基体的预处理：基体选用tc4钛合金，试验采用的基体切割为50 mm×40mm×12 mm的样块，对基体待熔覆表面进行机加工、喷砂或砂纸打磨，去除表面的氧化皮和污染层，随后用丙酮、乙醇或其他挥发性清洗剂清洗并干燥，根据工件厚度，可将基体预热至150～250 ℃，以降低熔覆时的热梯度和裂纹倾向；

10、s7、等离子弧熔覆以及熔覆后冷却和表面处理；采用等离子转移弧熔覆设备，将预渗氮tc4粉末以同步送粉的方式送入等离子弧和熔池，熔覆过程中，tc4金属芯熔化形成钛合金熔池，粉末表层含氮固溶体和tinx发生部分溶解；熔池快速凝固时，氮在局部过饱和条件下以tin或ti2n形核析出，并与α-ti/β-ti基体共同构成tinx/ti复合熔覆层。

11、所述s1中，tc4粉末化学成分以ti为主要成分，al约5.0～7.0 wt.%、v约3.0～5.0wt.%，允许含有符合tc4标准的fe、o、c、n、h等杂质元素。

12、所述s4中，管式炉出口位置应在水面下1-3 cm处，防止水压过大导致管内压力升高，通入氮气时，出口处应有连续不断的气泡冒出，说明此刻管内应处于接近常压或微正压状态，避免将石英管或刚玉管作为压力容器使用。

13、所述s4中，通入高纯氮气的流量，优选为0.3～0.8 l/min。

14、所述s4中，渗氮温度优选为700～1000 ℃；保温时长优选为25～45 min；升温速率优选为5～10 ℃/min。

15、所述s7中，通过控制热输入，使tinx具有弥散或连续骨架式分布，同时避免形成大块脆性聚集体。

16、所述s7中，对于多道或多层熔覆，每道之间控制层间温度不高于450 °c，熔覆完成后在氩气保护下冷却，必要时进行450～550 °c应力消除处理。

17、所述s7中，实验设备采用pta-400e4-st-4型等离子熔覆机，氩气用作等离子气、载气和保护气。

18、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

19、（1）将氮元素预先引入每个tc4粉末颗粒表层，粉末随送粉气体流动并携带氮源，相比独立tin粉末机械混合，可显著降低宏观偏析；

20、（2）渗氮粉末为熔覆层的主要供氮途径，可减少对熔覆阶段大流量氮气反应的依赖，提高不同熔覆道次之间含氮量的稳定性；

21、（3）粉末保留tc4金属芯，熔覆时易于形成稳定熔池和冶金结合，降低高熔点tin颗粒未熔及界面脱粘风险；

22、（4）通过渗氮温度、保温时间、粉层厚度和渗氮粉末比例可调控氮输入；通过等离子电流、速度和保护气进一步调控氮化物的溶解和再析出，实现材料设计与工艺设计协同；

23、（5）可通过不同预渗氮温度粉末或渗氮/未渗氮粉末配比形成梯度层，兼顾界面韧性和表层耐磨性的同时降低高含量陶瓷相造成的开裂和剥落倾向。