鈦合金表面激光熔覆陶瓷Ti-Al-Si復合涂層的組織結構與耐磨性.pdf

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

2、理論與試驗相結合的方法，以Ti-Al-Si作為鈦合金表面激光熔覆層的預置材料，獲得與基體呈冶金結合的金屬陶瓷復合涂層。由于涂層中原位生成了Ti5Si3,Ti7Al5Si12和Ti3AlC2等主要強化相，以及TiAl，Ti3Al和Al3Ti等輔助強化相，熔覆層的硬度和耐磨性得到了大幅度提高。通過預置涂層材料設計和工藝參數(shù)調整，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、組織結構、硬度和耐磨性

3、，闡述了熔覆層中物相的原位形成機制和熔覆層的界面結構，研究了熔覆層的強化機理，揭示了陶瓷TiC(或B4C)與Y2O3對熔池凝固過程的影響規(guī)律及作用機理。
　　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Ti-6Al-4V鈦合金表面進行激光熔覆，能夠制備出與基體呈現(xiàn)冶金結合的高硬度耐磨復合陶瓷涂層;涂層中原位生成了Ti5Si3,Ti7Al5Si12,Ti3AlC2,Ti3Al，TiAl和TiAl3等多種硬質強化相

4、，在熔池凝固過程，這些強化相的生長相互抑制，避免了組織粗化，有利于獲得組織細小致密的熔覆層;預置涂層材料配比和激光熔覆工藝參數(shù)均會對熔覆層的質量、微觀組織和性能產生影響，在本論文試驗條件下，當預置涂層粉末的質量分數(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，熔覆層的硬度和耐磨性最優(yōu)。
　　將TiC(或B4C)陶瓷加入預置涂層中，B4C和Ti發(fā)生原位反應生

5、成TiC，TiB和TiB2等陶瓷強化相，有利于進一步提高熔覆層的硬度和耐磨性，但是當TiC(或B4C)含量過高時，熔覆層中含有過量的陶瓷相，不利于熔覆層整體硬度和耐磨性能的提高。研究表明，當TiC(或B4C)的添加量為20wt.％(或10wt.％)時，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可以顯著細化熔覆層的微觀組織，其作用機制概括如下:在熔池中，未熔化分解的Y2O3可作為晶體生長的異質形核核心;一

6、部分Y2O3會分解為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。然而，Y2O3的添加量過多會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，獲得的熔覆層耐磨性能最優(yōu)。在熔覆材料中同時加入適量的TiC(或B4C)和Y2O3,制備出的熔覆層微觀組織細小致密，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，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)，熔覆層的磨損機制為氧化磨損、剝落磨損和粘著磨損，基體的磨損機制為氧化磨損