鈦合金激光熔覆Ti-Al-陶瓷復(fù)合涂層組織結(jié)構(gòu)與耐磨性的研究.pdf

1、鈦合金具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如高比強(qiáng)，高比模量及耐蝕性等，已被應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。但鈦合金耐磨性差，限制了其優(yōu)異潛能的發(fā)揮。激光熔覆因其熔覆層與基體結(jié)合緊密、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)已成為鈦合金表面改性技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。Ti-Al金屬間化合物具有高比強(qiáng)、良好的抗氧化性等性能，被認(rèn)為是航天航空領(lǐng)域最具發(fā)展前景的輕質(zhì)材料。
　　 本課題針對(duì)在航空工業(yè)中具有發(fā)展前景的先進(jìn)鈦合金材料，采用激光熔覆技術(shù)，通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以

2、Ti-Al金屬間化合物+陶瓷硬質(zhì)相（如TiC、TiB2、TiN等）作為鈦合金表面激光熔覆層強(qiáng)化的突破口，獲得與基體呈冶金結(jié)合、具有高耐磨性的Ti-Al金屬間化合物+陶瓷硬質(zhì)相激光熔覆層，并對(duì)熔覆層的組織結(jié)構(gòu)和耐磨性進(jìn)行研究。本項(xiàng)研究為激光熔覆技術(shù)在航空、國(guó)防和軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。
　　 本試驗(yàn)研究以在預(yù)置涂層中加入Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合粉末，通過(guò)激光熔覆形成T

3、i-Al/陶瓷復(fù)合涂層和提高耐磨性為主線，通過(guò)對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)的控制以及對(duì)不同元素組分配比的調(diào)整，優(yōu)化Ti-6Al-4V鈦合金表面制備Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層的工藝參數(shù)及粉末配比;分別研究了在預(yù)置涂層中加入Cu、Y2O3-Al2O3、Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2(YPSZ)以及氮?dú)猸h(huán)境中激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度及耐磨性的相關(guān)性。揭示Al2O3及稀土氧化物Y2O3對(duì)激光熔覆復(fù)合層中陶瓷相的原位形成機(jī)制及對(duì)基體的強(qiáng)

4、化機(jī)制的影響。通過(guò)調(diào)整預(yù)置涂層中的粉末配比降低Ti-Al/陶瓷復(fù)合熔覆層的脆性，改善其耐磨性。本課題從激光熔覆層的磨損質(zhì)量及磨損體積入手，對(duì)激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層的磨損機(jī)制進(jìn)行了研究。
　　 系列研究結(jié)果表明，激光熔覆過(guò)程中Al3Ti易于與從基體進(jìn)入熔池的Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ti3Al，改善鈦合金的耐磨性。Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2(YPSZ)的加入可減少激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層中裂紋產(chǎn)生幾率，改善其強(qiáng)度、韌性及

5、耐磨性。在氮?dú)猸h(huán)境中，大量TiN可在激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層表層產(chǎn)生，進(jìn)一步改善鈦合金的耐磨性。
　　 激光熔覆中加入的Cu與Ti及Ti-Al在熔池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ti-Cu金屬間化合物及Ti(CuAl)2，可顯著改善熔覆層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性。Cu的加入還促進(jìn)了鈦硼化合物在Al3Ti-C-TiB2激光熔覆層中生長(zhǎng)。Ti(CuAl)2彌散分布于熔覆層中，有利于提高激光熔覆層的顯微硬度與耐磨性。當(dāng)Cu在預(yù)置涂層中含量超過(guò)

6、13wt.％時(shí)，易造成熔覆層韌性不足，使大量裂紋在熔覆層中產(chǎn)生。
　　 部分Al2O3與TiB2在熔池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ti3Al、O2與B。Al2O3與TiB2之間的化學(xué)反應(yīng)消耗了熔池中部分陶瓷相，提高了基體對(duì)熔覆層的稀釋率，有利于未參加該反應(yīng)的陶瓷相熔化并析出，改善熔覆層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性。加入1wt.％Y2O3可顯著改善Al2O3-TiB2強(qiáng)化Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性。Y2O3粒子易在熔覆層中發(fā)生聚集，

7、阻礙Al2O3及TiB2生長(zhǎng)。加入Y2O3使晶界得到強(qiáng)化，組織均勻化;但加入到3wt.％Y2O3以上時(shí)熔覆層多處產(chǎn)生微裂紋，且產(chǎn)生大量未熔TiB2塊狀物。
　　 在Ti-6Al-4V鈦合金表面激光熔覆Al3Ti+TiB2/（Ni包WC）混合粉末可生成Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層。X射線衍射(XRD)分析表明，由于大量M6C(Ni2W4C)脆性相的產(chǎn)生以及復(fù)合涂層組織粗化，顯微硬度僅較基體提高2～3倍，耐磨性提高受限。在預(yù)置粉末中加入

8、10wt.％Al2O3-1.5wt.％Y2O3可細(xì)化激光復(fù)合涂層的組織并明顯降低M6C含量，其激光熔覆層的顯微硬度為1300～1450HV0.2，耐磨性大幅度提高。
　　 本課題將具有輕質(zhì)和優(yōu)良性能的Ti-Al金屬間化合物與陶瓷激光熔覆于鈦合金表面，形成具有優(yōu)異性能的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合涂層。激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂層可應(yīng)用于修復(fù)各種失效零件，例如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)中有很好的應(yīng)用前景。研究激光熔覆Ti-Al/陶瓷復(fù)合涂