鈦合金表面激光熔覆復(fù)合材料涂層的生成機(jī)制與耐磨性能.pdf

1、為了在TC4鈦合金表面獲得質(zhì)量良好的耐磨涂層，以B4C、Ni60A和Ni60A+2～5wt.％B4C三種粉末作為預(yù)涂材料體系，在TC4鈦合金表面上進(jìn)行反應(yīng)法激光熔覆試驗(yàn)。通過工藝探索和涂層質(zhì)量分析，優(yōu)選出合適的工藝參數(shù)和最佳的預(yù)涂層材料體系。利用XRD、SEM、EPMA和TEM等分析手段對(duì)三種涂層的微觀組織進(jìn)行分析，研究了存在放熱反應(yīng)的激光熔池特性及涂層中主要增強(qiáng)相的反應(yīng)生成機(jī)制。采用M-200型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了TC4鈦合金以

2、及 Ni60A和Ni60A+B4C激光熔覆涂層的摩擦磨損性能，分析了激光熔覆涂層的強(qiáng)化機(jī)制。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，含有 B4C材料體系的激光熔池中存在放熱反應(yīng)，補(bǔ)充了激光能量的不足，有助于熔透較厚的預(yù)涂層。Ni60A自熔合金的加入有利于消除涂層中的氣孔，改善涂層質(zhì)量。三種材料體系中，較厚的B4C預(yù)涂層在激光熔覆過程中飛濺嚴(yán)重，得到的涂層很薄，且涂層中含有大量氣孔和裂紋；Ni60A激光熔覆涂層中的氣孔和裂紋很少，但涂層厚度較薄；Ni6

3、0A+B4C激光熔覆涂層較厚，且涂層質(zhì)量良好，為最佳材料體系。三種材料體系的激光熔覆涂層硬度均很高，為TC4基底材料硬度的3～4倍。
　　微觀組織分析表明，三種激光熔覆涂層的組織各不相同。B4C激光熔覆涂層的組織以少量Ti為基體，含有大量反應(yīng)生成的TiC、TiB2和TiB增強(qiáng)相。涂層中的TiC為長枝晶狀，TiB為晶須狀，TiB2為長棒狀。Ni60A和Ni60A+B4C激光熔覆涂層的微觀組織均以γ-Ni固熔體和γ-Ni與Ni3Ti、

4、Ni3B等多元共晶組織為基體，含有 TiB2、TiC和CrB等多種增強(qiáng)相。Ni60A激光熔覆涂層的硬質(zhì)增強(qiáng)相很少，且分布不均；Ni60A+B4C激光熔覆涂層中含有大量反應(yīng)自生的TiB2和TiC增強(qiáng)相，且分布均勻。兩種激光熔覆涂層中的TiC為長枝晶狀，TiB2為六棱柱狀，CrB為晶須狀。而且， Ni60A+B4C激光熔覆涂層中的TiB2常包裹住 TiC的一部分，形成一種復(fù)合式嵌鑲結(jié)構(gòu)。B4C激光熔覆涂層與TC4基底結(jié)合界面處的組織為直接過

5、渡，兩種組織分界比較明顯，不存在中間稀釋區(qū)。Ni60A和Ni60A+B4C激光熔覆涂層與TC4基底結(jié)合界面處存在一個(gè)中間稀釋區(qū)，稀釋區(qū)內(nèi)基本不含硬質(zhì)增強(qiáng)相，主要為Ni和Ti的共晶組織。
　　在激光熔覆 Ni60A+B4C預(yù)涂材料過程中，TC4基底的Ti熔化進(jìn)入激光熔池中，與B4C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成 TiC和TiB2。在激光熔池冷卻過程中，TiC優(yōu)先形核，八面體 TiC晶核的生長機(jī)制為臺(tái)階側(cè)向生長。熔池中高的過冷度以及周圍熔體中的溫

6、度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布不均勻，使得 TiC長成很長的枝晶狀。由于熔體中的TiB2原子團(tuán)具有很高的表面活性，而且其和TiC存在很強(qiáng)的晶界粘合效應(yīng)，所以熔體中的TiB2原子團(tuán)以先析出的TiC枝晶為異質(zhì)形核中心，吸附在其表面，生長成棱角分明的六棱柱狀。長大的大顆粒TiB2將長枝晶TiC包裹住一段，形成一種復(fù)合式鑲嵌結(jié)構(gòu)。
　　在與YG8硬質(zhì)合金對(duì)磨時(shí)，TC4鈦合金的摩擦系數(shù)為0.505～0.641；Ni60A激光熔覆涂層的摩擦系數(shù)為0.455

7、～0.466；Ni60A+B4C激光熔覆涂層的摩擦系數(shù)為0.454～0.476。在重載荷作用下，兩種激光熔覆涂層的磨損失重量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 TC4鈦合金的磨損失重量。隨著載荷的加大，TC4鈦合金的磨損失重量呈明顯上升的趨勢(shì)，而激光熔覆涂層的磨損失重量則增長較小。TC4鈦合金的磨損是粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損三種機(jī)制共同作用的結(jié)果，粘著磨損和磨粒磨損占主導(dǎo)地位。Ni60A激光熔覆涂層的磨損以磨粒磨損為主，存在一定的粘著磨損和疲勞引起的剝層磨