鈦合金表面激光熔覆陶瓷Ti-Al-Si復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性.pdf

1、鈦合金具有高的強(qiáng)度，低的密度和優(yōu)良的耐蝕性，已被應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域，但是由于硬度低、耐磨性能較差，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，利用表面改性技術(shù)在鈦合金表面制備高硬度耐磨涂層成為鈦合金表面強(qiáng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比，具有高的效率，熔覆層與基體之間的結(jié)合為冶金結(jié)合，涂層結(jié)構(gòu)細(xì)小與涂層對(duì)基體的稀釋作用小等優(yōu)點(diǎn)。
　　本論文對(duì)工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行激光熔覆，采用

2、理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以Ti-Al-Si作為鈦合金表面激光熔覆層的預(yù)置材料，獲得與基體呈冶金結(jié)合的金屬陶瓷復(fù)合涂層。由于涂層中原位生成了Ti5Si3,Ti7Al5Si12和Ti3AlC2等主要強(qiáng)化相，以及TiAl，Ti3Al和Al3Ti等輔助強(qiáng)化相，熔覆層的硬度和耐磨性得到了大幅度提高。通過(guò)預(yù)置涂層材料設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)整，控制熔覆層中原位生成陶瓷相的種類、含量與分布特征，減小涂層脆化傾向;分析熔覆層的形貌、物相、組織結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性

3、，闡述了熔覆層中物相的原位形成機(jī)制和熔覆層的界面結(jié)構(gòu)，研究了熔覆層的強(qiáng)化機(jī)理，揭示了陶瓷TiC(或B4C)與Y2O3對(duì)熔池凝固過(guò)程的影響規(guī)律及作用機(jī)理。
　　研究表明，采用Ti，Al和Si作為熔覆材料，在開放的氬氣環(huán)境下對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金表面進(jìn)行激光熔覆，能夠制備出與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合的高硬度耐磨復(fù)合陶瓷涂層;涂層中原位生成了Ti5Si3,Ti7Al5Si12,Ti3AlC2,Ti3Al，TiAl和TiAl3等多種硬質(zhì)強(qiáng)化相

4、，在熔池凝固過(guò)程，這些強(qiáng)化相的生長(zhǎng)相互抑制，避免了組織粗化，有利于獲得組織細(xì)小致密的熔覆層;預(yù)置涂層材料配比和激光熔覆工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)熔覆層的質(zhì)量、微觀組織和性能產(chǎn)生影響，在本論文試驗(yàn)條件下，當(dāng)預(yù)置涂層粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ti-35Al-15Si、Ar氣的壓力為0.2～0.3MPa、激光功率為950～1100W、掃描速度為5mm·s-1時(shí)，熔覆層的硬度和耐磨性最優(yōu)。
　　將TiC(或B4C)陶瓷加入預(yù)置涂層中，B4C和Ti發(fā)生原位反應(yīng)生

5、成TiC，TiB和TiB2等陶瓷強(qiáng)化相，有利于進(jìn)一步提高熔覆層的硬度和耐磨性，但是當(dāng)TiC(或B4C)含量過(guò)高時(shí)，熔覆層中含有過(guò)量的陶瓷相，不利于熔覆層整體硬度和耐磨性能的提高。研究表明，當(dāng)TiC(或B4C)的添加量為20wt.％(或10wt.％)時(shí)，制備的熔覆層表現(xiàn)出最高的硬度和最優(yōu)的耐磨性能。
　　稀土氧化物Y2O3可以顯著細(xì)化熔覆層的微觀組織，其作用機(jī)制概括如下:在熔池中，未熔化分解的Y2O3可作為晶體生長(zhǎng)的異質(zhì)形核核心;一

6、部分Y2O3會(huì)分解為Y與O2,Y作為表面活性元素，容易在晶界或相界偏聚，阻礙晶界或相界移動(dòng)。然而，Y2O3的添加量過(guò)多會(huì)使熔覆層的脆性增加，不利于熔覆層耐磨性能的提高。本文的研究表明，在熔覆材料中添加2wt.％Y2O3時(shí)，獲得的熔覆層耐磨性能最優(yōu)。在熔覆材料中同時(shí)加入適量的TiC(或B4C)和Y2O3,制備出的熔覆層微觀組織細(xì)小致密，表面硬度較高，耐磨性能優(yōu)異。在熔覆材料中添加20wt.％TiC(或10wt.％B4C)與2wt.％Y2O

7、3時(shí)，制備的熔覆層的硬度約提高為Ti-6Al-4V合金硬度的5倍，耐磨性能較好。
　　在800℃溫度下高溫磨損試驗(yàn)后，熔覆層試樣表面均生成一層氧化膜，其主要由Al2O3,TiO2和SiO2組成。隨著溫度升高，熔覆層的摩擦系數(shù)升高，磨損量也增大。隨著載荷的增大，摩擦系數(shù)減少，磨損量反而增大。成分不同的熔覆層的磨損量為:基體(501πmm3)＞Ti-45Al-15Si(485πmm3)＞Ti-35Al-15Si(450πmm3)＞Ti

8、-25Al-15Si(432πmm3)＞(Ti-35Al-15Si)-1 Y2O3(421πmm3)＞(Ti-35Al-15Si)-20TiC（408πmm3）＞(Ti-35Al-15Si)-10B4C（396πmm3）＞(Ti-35Al-15Si)-20TiC-1Y2O3(385πmm3)＞(Ti-35Al-15Si)-20B4C-1 Y2O3(381πmm3)，熔覆層的磨損機(jī)制為氧化磨損、剝落磨損和粘著磨損，基體的磨損機(jī)制為氧化磨損