一種在鈦合金上制備Ni基合金梯度材料的激光制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光加工技術領域，涉及一種在鈦合金上制備Ni基合金梯度材料的激光制造工藝，主要用于鈦合金表面耐高溫層的制備，提高鈦合金的高溫特性。
【背景技術】
[0002]高超聲速飛行器和新一代高性能戰斗機的研制，飛機機身高溫部件如機翼前緣、垂尾前緣，發動機高溫部件如燃燒室外機匣對耐高溫性提出了更高的要求，但又考慮到飛機減重的問題，因此迫切需要研制輕質、高性能、耐高溫的新型結構功能材料才能滿足設計要求。目前飛機和發動機高溫部件較多的使用Ni基高溫合金，如發動機燃燒室外機匣使用GH4169，而輕質高強材料較多使用鈦合金材料，考慮到兩種材料的特性，將兩種材料結合，即在鈦合金基體上制備Ni基高溫合金，形成一種新型結構功能材料，滿足輕質耐高溫兩種性能，故而鈦合金/Ni基高溫合金溫度功能梯度材料的研制就有其明確的型號研制需求背景。
[0003]鈦合金與Ni基高溫合金兩種材料熱膨脹系數差異大，兩種材料反應會產生多種金屬間化合物，導致兩種材料相容性極差，直接結合無法實現。需要進行中間層過渡成分的分析與研制。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提出一種在鈦合金材料上制備Ni基合金耐高溫梯度材料的激光制造方法，主要用于鈦合金表面耐高溫層的制備，提高鈦合金的高溫特性。
[0005]本發明技術方案的具體內容是:
[0006](I)采用氬氣霧化制粉方式制備Ni基合金和中間過渡層粉末材料，中間過渡層材料為兩種，分別為V-Cr合金和不銹鋼合金，V-Cr合金的Cr含量體積分數范圍5.0%?12.0%,不銹鋼的C含量控制在0.05 %以下，Cr含量8 %?20 %，Ni含量控制在10 %以下，粉末粒度為150目?325目；
[0007](2)首先采用激光恪覆的方法在鈦合金基材上制備0.3?0.5mm厚的V-Cr合金層，然后在V-Cr層上激光熔覆0.2?0.5mm厚的不銹鋼合金，最后在不銹鋼層上激光熔覆0.2?0.5mm厚的Ni基高溫合金，實現鈦合金到Ni基合金的梯度過渡；
[0008](3)在Ar氣保護或真空環境下，進行整體去應力退火處理，退火溫度范圍:650 °C ?750 °C。
[0009]本發明具有的優點和有益效果
[0010]本發明采用激光熔覆技術在鈦合金材料表面制備Ni基合金耐高溫梯度材料，激光熔覆在制備梯度材料時具有以下優勢:激光束的能量密度高，加熱速度快，對鈦合金基材的熱影響較小，熔入鈦合金基材的深度可控制在0.1mm以下，焊后產生的殘余應力小，引起基材的變形小，控制表面裂紋的產生；熔覆層的厚度范圍較大，單層熔覆厚度0.1?2.0mm ;可精確控制梯度材料的成形厚度。
[0011]本發明制備鈦合金/Ni基合金耐高溫梯度材料，最關鍵的就是中間過渡層的設計和優化，選用兩種材料實現鈦合金到鎳基高溫合金的梯度過渡，首先是在鈦合金上制備V-Cr合金，因為Ti與V和Cr均為勻晶相圖，可以完全互溶，隨后在V-Cr層上制備不銹鋼合金，Fe與V和Cr均為勻晶相圖，也可以完全互溶，同時控制不銹鋼材料中的C含量在0.05 %以下，使不銹鋼中間層具有較好的延展性以緩解梯度材料制備過程中的殘余應力，控制不銹鋼中的Ni含量在5%以下，以防止Ni和鈦合金中的Ti相互擴散后生成T1-Ni脆性金屬間化合物，導致開裂，另外Fe與Ni也可完全互溶，通過以上中間層材料的設計和優化，實現了鈦合金/Ni基合金耐高溫梯度材料的完好制備，表面無裂紋缺陷，梯度材料各層之間熔合率可達100%，結合很好。該梯度材料具有輕質、高強、單側耐高溫等優良特性，可推廣至高速飛行器和高推重比發動機熱端部件的材料研制。【具體實施方式】:
[0012]以下將結合實例對本發明技術方案作進一步詳述:
[0013]該方法的步驟是:
[0014](I)采用氬氣霧化制粉方式制備Ni基合金和中間過渡層粉末材料，中間層材料為兩種分別為V-Cr合金和不銹鋼合金，V-Cr合金的Cr含量體積分數范圍8.0%?10.0%，不銹鋼的C含量控制在0.03%以下，Cr含量10%?15%，Ni含量控制在5%以下。粉末粒度為150目?325目；
[0015](2)制備前表面清理，使用鋼絲輪打磨去除鈦合金表面氧化膜，目視檢查露出金屬底色，然后用丙酮擦洗干凈；
[0016](3)首先采用激光恪覆的方法在鈦合金基材上制備0.3?0.5mm厚的V-Cr合金層，然后在V-Cr層上激光熔覆0.3?0.5mm厚的不銹鋼合金，最后在不銹鋼層上激光熔覆Ni基高溫合金，實現鈦合金到Ni基合金的梯度過渡；
[0017](4)耐高溫梯度材料制備完成后，在Ar氣保護或真空環境下，進行整體去應力退火處理，退火溫度范圍:650°C?750°C，隨爐冷卻。
[0018]實例一
[0019]在TC4鈦合金板上制備GH4169耐高溫梯度材料
[0020]1.TC4鈦合金準備
[0021]加工TC4鈦合金板，尺寸為50mmX 50mmX 10mm。
[0022]2.實施過程
[0023](I)采用氬氣霧化制粉方式制備GH4169粉末及V-Cr和不銹鋼中間層合金粉末，V-Cr合金的體積百分數分別為91.3%和8.7%，不銹鋼的C含量0.03%, Cr含量13%，Ni含量5%，粉末粒度為150目?325目；
[0024](2)制備前表面清理，使用鋼絲輪打磨去除TC4鈦合金板材表面氧化膜，目視檢查露出金屬底色，然后用丙酮擦洗干凈；
[0025](3)首先采用激光恪覆的方法在鈦合金基材上制備50mm X 50mm X 0.5mm的V-Cr合金層，然后在V-Cr層上激光恪覆50mmX50mmX0.5mm的不銹鋼合金，最后在不銹鋼層上激光熔覆50mmX50mmX0.5mm的GH4169耐高溫曾，實現TC4鈦合金到GH4169高溫合金的梯度過渡；
[0026](4)耐高溫梯度材料制備完成后，在Ar氣保護或真空環境下，進行整體去應力退火處理，退火制度:650°C X2h，隨爐冷卻。
[0027]與現有技術相比，采用本發明技術方案在TC4鈦合金上制備的GH4169耐高溫梯度材料，經熒光檢測無裂紋缺陷，在保證TC4鈦合金輕質特性的同時，顯著提高TC4材料表面的耐1?溫特性D
【主權項】
1.一種在鈦合金上制備Ni基合金梯度材料的激光制造工藝，其特征在于:該方法的步驟是: (1)采用氬氣霧化制粉方式制備Ni基合金和中間過渡層粉末材料，中間過渡層材料為兩種，分別為V-Cr合金和不銹鋼合金，V-Cr合金的Cr含量體積分數范圍5.0%?12.0%,不銹鋼的C含量控制在0.05%以下，Cr含量8%?20%，Ni含量控制在10%以下，粉末粒度為150目?325目； (2)首先采用激光熔覆的方法在鈦合金基材上制備0.3?0.5mm厚的V-Cr合金層，然后在V-Cr層上激光熔覆0.2?0.5mm厚的不銹鋼合金，最后在不銹鋼層上激光熔覆0.2?0.5mm厚的Ni基高溫合金，實現鈦合金到Ni基合金的梯度過渡； (3)在Ar氣保護或真空環境下，進行整體去應力退火處理，退火溫度范圍:650°C?750。。。2.根據權利要求1所述的一種在鈦合金上制備Ni基合金梯度材料的激光制造工藝，V-Cr合金的Cr含量體積分數為8.0 %?10.0 %，不銹鋼的C含量控制在0.03 %以下，Cr含量10%?15%，Ni含量控制在5%以下。
【專利摘要】本發明屬于激光加工技術領域，涉及一種在鈦合金上制備Ni基合金耐高溫梯度材料的激光制造方法，主要用于鈦合金耐高溫層的制備，提高鈦合金的高溫特性。選用耐高溫特性優于鈦合金的Ni基合金作為耐高溫層，采用激光熔覆工藝，通過添加V-Cr和不銹鋼兩種中間層，最終在鈦合金上制備Ni基合金梯度耐高溫材料。制備的Ni基合金耐高溫層與鈦合金基體結合很好，表面無裂紋缺陷。
【IPC分類】C22C19/05, C23C24/10
【公開號】CN105154872
【申請號】CN201510560572
【發明人】孫兵兵, 張學軍, 郭紹慶, 陳冰清, 李能, 唐思熠, 杜博睿
【申請人】中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月6日