Ti-3AI-2V表面激光熔覆Ti-BN涂層的微觀組織及反應行為研究.pdf

1、鈦合金較差的耐磨性能一直限制鈦合金在苛刻摩擦領域的應用。采用激光熔覆的方法在鈦合金的表面涂覆耐磨涂層，以其經(jīng)濟、高效、快捷而成為鈦合金表面強化技術(shù)的重要手段之一。采用原位合成的陶瓷-金屬基復合涂層以其優(yōu)異的抗磨損性能而得到廣發(fā)的開發(fā)和應用。目前，對激光熔覆原位合成陶瓷-金屬基復合涂層的組織-工藝-性能之間關(guān)系的研究不系統(tǒng)，對原位合成的機理研究相對匱乏。因此采用激光熔覆Ti-BN體系，研究熔覆工藝-組織-性能之間相互作用關(guān)系，并探討原位合

2、成的原位反應機理，對采用激光熔覆方法原位合成陶瓷-金屬基復合強化涂層有重要的理論意義和實際應用價值。
　　 研究了激光功率、激光掃描速度、送粉速度、Ti與BN粉末的摩爾比例和BN的粒度分布對組織相分布及形貌的影響。結(jié)果表明:在適宜的工藝參數(shù)條件下，獲得了原位生長的TiB-TiN復合強化鈦基涂層。獲得的涂層與基體結(jié)合良好，無明顯的氣孔和裂紋。TiN呈等軸晶形貌;TiB呈針棒狀組織形貌。當激光掃描速度為6mm/s情況下，隨著激光功率

3、的提高，熔覆層厚度、熔覆層的滲透深度、熱影響區(qū)深度和熔覆寬度升高，而稀釋率（γ）降低;熔覆層組織中TiN和TiB晶粒逐漸粗大，激光功率從600W→1000W→1400W→1800W功率變化時，TiB強化相變化呈現(xiàn)出未觀測到明顯相→細小絮狀組織(尺寸大小約為15μm×100nm)→尺寸不均勻針棒狀組織(尺寸范圍為15μm×100nm∽20μm×1μm)→尺寸均勻針棒狀組織(尺寸大小約為20μm×1μm)的變化規(guī)律。當激光功率為1400W，

4、激光掃描速度從3mm/s增加至12mm/s過程中，隨著激光掃描速度的增加，強化相尺寸減小。熔覆層頂部的TiB由均勻的針棒狀組織（平均尺寸大小約為15μm×2μm）→團聚的須狀組織(尺寸范圍10μm×1μm～10μm×500nm)+針棒狀組織→須狀組織(尺寸大小為10μm×200nm)轉(zhuǎn)變。由于獲得的熔覆層組織存在較大的冷卻速度差別，組織分布不均勻。送粉量對熔覆組織宏觀形貌及顯微組織影響不大。發(fā)現(xiàn)BN∶Ti的比例對形成TiN和TiB的形貌

5、及分布狀態(tài)具有很大的影響。在BN含量較低的情況下(BN∶Ti=1∶16)， TiN優(yōu)先在晶內(nèi)形核長大，TiB在晶界形核長大;隨著BN含量的增多，TiB形核質(zhì)點增多，當BN∶Ti的摩爾計量比為1∶4的情況下，TiB與TiN在熔覆層中均勻分布。B元素的含量對TiB的形核與長大起了重要的作用，當Ti與B滿足TiB的化學計量比的情況下，發(fā)生了TiB的形核與長大。此外，細小粒度的BN作為原材料有利于獲得均勻的熔覆組織;
　　 發(fā)現(xiàn)Ti-B

6、N體系在BN摩爾含量含量低于20％條件下，激光熔覆Ti-BN體系的凝固過程與平衡凝固過程完全不同，原位合成形成的硼化物強化相為TiB，未發(fā)現(xiàn)TiB2相。提出Ti-BN體系激光熔覆快速凝固過程中的凝固過程:(Ⅰ)粗大的初生TiN形核長大;(Ⅱ)液相與初生的TiN發(fā)生包晶反應，形成α-Ti;(Ⅲ)初生的TiB形核長大;(Ⅳ)最后液相發(fā)生共晶反應形成TiB+β-Ti;(Ⅴ)β-Ti向α-Ti轉(zhuǎn)變;
　　 分析了原位合成強化相TiN和T

7、iB的組織特點及形成機理:原位合成的TiN為面心立方結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)為a=0.4245nm，由于其界面能和原子結(jié)合能具有高度的各向同性的特點以及激光熔覆快速冷卻的共同作用，導致形成的TiN為等軸晶形貌。在激光功率為1400W，掃描速度為6mm/s，BN∶Ti=1∶8條件下，針棒狀TiB結(jié)構(gòu)具有多樣性，發(fā)現(xiàn)少量粗大的具有空心結(jié)構(gòu)針棒狀TiB，空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞不規(guī)則，各處壁厚不均勻，為初生TiB;共晶的TiB呈現(xiàn)細小，實心的針棒狀組織形貌。T

8、iB為B27結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)為α=0.628nm，b=0.312nm和c=0.461nm。TiB沿[010]方向生長速度最快，TiB的的堆垛層錯面平行于(100)面。TiB可以以孿晶的方式形核和長大，原位合成TiB強化相與Ti之間為半共格關(guān)系。
　　 系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對原位反應機理類型選擇的影響。在激光功率越高、激光掃描速度越慢、BN含量越少以及BN粒度越小的情況下，原位合成形成陶瓷強化相顆粒均勻、彌散，反應機制主要由溶解-析出

9、機制控制;激光功率越低、激光掃描速度越快、BN含量越大以及BN粒度越大的情況下，原位合成形成陶瓷強化相分布不均勻，并且在熔覆層頂部易出現(xiàn)“花朵狀”組織，反應機制主要由溶解-析出機制和擴散機制共同控制;當BN∶Ti=1∶4，BN粒度10μm～30μm的條件下，激光熱輸入大于64.8W·h/m時，激光熔覆過程的反應機制為溶解-析出機制控制;激光熱輸入小于64.8W·h/m時，反應機制為溶解-析出機制和擴散機制共同控制;
　　 研究激

10、光熔覆條件下特征”花朵”形貌的形成機理。發(fā)現(xiàn)在Ti-3Al-2V基體上激光熔覆Ti-BN粉末沿激光入射方向存在明顯組織差異。當激光功率較低、激光掃描速度快、BN含量高和BN粒度粗大的情況下，熔覆層中表層容易形成”花朵”狀熔覆層組織，探索其形成機理如下:(1)Ti與BN發(fā)生液固-固反應，形成亞計量比的TiNx和TiBx，(2) Ti-BN反應過程中反應熱量與輸入的激光輻射能量共同作用促進了液相L的形成。(3)從BN上擴散出來的N和B原子進

11、入到Ti的熔體中，在固相TiNx和TiBx表面異質(zhì)形核形成TiN，TiN包圍在TiNx和TiBx表面，并向熔體中排出B原子;(4)當Ti，B原子比例滿足TiB的計量比的時候，形成了TiB或者是TiB和Ti的共晶體;
　　 采用激光熔覆Ti-BN體系獲得原位合成的TiB和TiN復合強化的涂層具有良好的硬度和抗磨損性能。隨著激光功率的提高、激光掃描速度的降低、BN含量的增加，熔覆層中強化相分布均勻化程度升高，強化相體積含量增高，熔覆