激光熔注單晶顆粒增強(qiáng)WCp-Ti-6Al-4V梯度復(fù)合材料層的界面反應(yīng)機(jī)理.pdf

1、在Ti-6Al-4V表面制備復(fù)合材料層能夠在其良好性能不被破壞的前提下，明顯改善其表面性能，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用背景。但是，增強(qiáng)顆粒熔化和復(fù)合材料層開(kāi)裂等問(wèn)題難以解決?？刂瞥煞痔荻茸兓墙鉀Q復(fù)合材料層開(kāi)裂的最有效方法之一。目前，通過(guò)引入過(guò)渡層的方式可以實(shí)現(xiàn)梯度復(fù)合材料層的制備，能夠在一定程度改善復(fù)合材料層的開(kāi)裂問(wèn)題，但無(wú)法解決增強(qiáng)顆粒的熔化問(wèn)題，并且制備工藝過(guò)于復(fù)雜。
　　本文針對(duì)上述問(wèn)題，采用激光熔注技術(shù)，通過(guò)向激光熔

2、池直接注入單晶WC顆粒的方式，在不采用過(guò)渡層的情況下，實(shí)現(xiàn)了WCp/Ti-6Al-4V梯度復(fù)合材料層的制備。在激光熔注工藝特性研究的基礎(chǔ)上，研究了梯度復(fù)合材料層的形成機(jī)制、激光熔注過(guò)程熔池的復(fù)雜結(jié)晶行為、梯度復(fù)合材料層的微觀斷裂行為和WCp/Ti界面的反應(yīng)機(jī)制。
　　通過(guò)系統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)，獲得了WCp/Ti-6Al-4V材料體系最佳激光熔注工藝范圍，研究了工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料層宏觀成形、WC顆粒分布與體積分?jǐn)?shù)的影響。通過(guò)WC顆粒注入速度

3、的計(jì)算與熔池流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析了熔池粘度、Marangoni對(duì)流、熔池凝固前沿等因素對(duì)WC顆粒分布的影響，闡明了激光熔注過(guò)程梯度復(fù)合材料層的形成機(jī)理。證明熔池凝固前沿是決定WC顆粒分布的關(guān)鍵因素，梯度復(fù)合材料層的形成是以熔池凝固前沿向前推移不斷將WC顆?！皟鼋Y(jié)”實(shí)現(xiàn)的，熔池粘度和Marangoni流對(duì)WC顆粒分布的影響微弱。
　　通過(guò)XRD衍射和SEM、TEM電子顯微研究確定了復(fù)合材料層物相組成，描述了復(fù)合材料層的微觀組

4、織特征，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料層各物相的精確鑒定?；赪-C、Ti-C、Ti-W二元系和Ti-W-C三元系平衡凝固研究，分析了激光熔注過(guò)程快速凝固條件下熔池的復(fù)雜結(jié)晶行為。發(fā)現(xiàn)Ti基體中的元素分布、WC顆粒體積分?jǐn)?shù)和TiC枝晶含量均呈現(xiàn)出梯度分布的特征。通過(guò)控制WC顆粒由熔池尾部注入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量的有效控制，在WC顆粒周?chē)@得了很薄的規(guī)則胞狀反應(yīng)層結(jié)構(gòu)。并首次在WCp/Ti界面結(jié)合區(qū)，除了W2C層和TiC層外又發(fā)現(xiàn)了一層厚度約為20

5、0nm的連續(xù)納米W層。
　　在常規(guī)力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，采用SEM原位拉伸試驗(yàn)，觀察了復(fù)合材料層在拉應(yīng)力作用下裂紋形成、擴(kuò)展過(guò)程，闡明了單晶顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。復(fù)合材料層裂紋主要在WC顆粒內(nèi)部和WC/W2C界面形成。裂紋主要沿著基體中TiC枝晶擴(kuò)展，并且沿著WC顆粒密度最大的方向斷裂。致密胞狀界面反應(yīng)層的形成大大提高了界面應(yīng)力傳播效率，加上單晶的高承載力，使得單晶WC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料層的抗拉強(qiáng)度有明顯提高，比多晶WC顆粒增

6、強(qiáng)復(fù)合材料層提高了18％。
　　在熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，借助熱模擬試驗(yàn)，研究了WCp/Ti界面反應(yīng)機(jī)理，并根據(jù)W2C層發(fā)生的孿生變形現(xiàn)象，合理解釋了固態(tài)相變條件下W2C與母相WC不形成共格界面的原因，澄清了WCp/Ti界面反應(yīng)存在的爭(zhēng)議問(wèn)題。通過(guò)快速、緩慢凝固條件下WCp/Ti界面反應(yīng)行為的對(duì)比研究，證實(shí)了快速凝固條件下形成的反應(yīng)層結(jié)構(gòu)具有抑制界面反應(yīng)的作用。結(jié)果表明，W2C層是固相WC與液態(tài)Ti反應(yīng)生成的，W2C內(nèi)部發(fā)生的孿生變形