鈦合金表面陶瓷強(qiáng)化金屬基復(fù)合激光熔覆層的微觀組織與耐磨性能研究.pdf

1、鈦合金具有比強(qiáng)度高、中低溫性能好、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天、汽車工業(yè)、體育器材和石油化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，硬度低、耐磨性差的缺點(diǎn)，限制了其在摩擦磨損場合的應(yīng)用。為了克服此缺點(diǎn)，國內(nèi)外的研究人員嘗試采用各種表面改性方法對鈦合金進(jìn)行表面強(qiáng)化與改性處理，發(fā)展了包括化學(xué)熱處理、離子注入、等離子噴涂、微弧氧化和激光表面處理等技術(shù)在內(nèi)的多種表面處理技術(shù)。其中，激光熔覆技術(shù)，具有加工效率高、熱影響區(qū)小、制備的熔覆層與基材呈現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層厚度

2、可控等優(yōu)點(diǎn)。通過激光工藝參數(shù)調(diào)控以及熔覆材料體系設(shè)計，可在鈦合金表面制備耐磨性優(yōu)異的熔覆層。
　　本文利用“Ni60A+微米級B4C(μ-B4C)”、“Ni60A+Ni包B4C(Ni@B4C)”和“Ni60A+納米級B4C(n-B4C)”多種復(fù)合材料體系對TC4鈦合金基材進(jìn)行激光熔覆處理。在熔覆過程中，熔池內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，Ti與B、C可形成TiB2、TiB和TiC，Ni與Ti可形成Ni-Ti金屬間化合物，Ni與B可形成N

3、i2B、Ni3B，Cr與B、C可生成Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6。熔覆層中原位生成的多元強(qiáng)化相形成復(fù)合強(qiáng)化效果，顯著提高鈦合金的硬度與耐磨性。本文探討了激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)以及材料配比對熔覆層宏觀形貌、缺陷、微觀組織、顯微硬度與耐磨性的影響，對比研究了微納米稀土氧化物Nd2O3和La2O3對熔覆過程的影響及其作用機(jī)制，闡述了熔覆層中物相的形成機(jī)理，分析了熔覆層的強(qiáng)化機(jī)制與耐磨機(jī)理。
　　Ni60A+μ-B4C

4、材料體系的熔覆層主要由γ-Ni、TiB2、 TiB、TiC、NiTi2、 NiTi、Ni2B、Ni3B、Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6等物相組成;適當(dāng)提高激光功率(≥2.0kW)，保證適宜的激光能量密度，可制備出表面質(zhì)量較好且無氣孔、裂紋等缺陷的熔覆層。
　　采用Ni60A+20wt.％μ-B4C熔覆材料，在激光功率為3.0kW、掃描速度為300～600mm/min條件下進(jìn)行激光熔覆，隨著掃描速度的增加，熔覆層中的板條

5、狀復(fù)合組織尺寸變小，顯微硬度由1600HV0.2降低到1200HV0.2;在掃描速度為450mm/min時，熔覆層耐磨性最好，提高到基材的8.30倍。采用Ni60A+10wt.％μ-B4C熔覆材料，研究了μ-B4C粒度的影響，當(dāng)μ-B4C的粒度為20μm時，熔覆層表現(xiàn)出最佳耐磨性，約提高到基材的5.36倍。當(dāng)μ-B4C添加量超過20wt.％時，熔覆層中易出現(xiàn)氣孔，不利于耐磨性的進(jìn)一步改善。
　　稀土氧化物Nd2O3和La2O3對“

6、Ni60A+μ-B4C”熔覆層物相組成的變化影響不大，但可以細(xì)化熔覆層的組織，提高顯微硬度與耐磨性;納米級稀土氧化物對微觀組織的細(xì)化作用優(yōu)于微米級稀土氧化物，n-La2O3的作用效果最好。然而，n-La2O3的添加量不宜過多，否則在熔覆層中聚集，并造成熔覆層稀釋率增加，顯微硬度降低，限制了耐磨性的進(jìn)一步改善;本文中，添加1.0wt.％n-La2O3時，熔覆層磨損失重僅為0.0018g，比同等條件下未添加稀土氧化物的熔覆層(0.0025g

7、)降低了28％，耐磨性提高到同條件下基材的7.44倍。
　　以Ni60A+20wt.％Ni@B4C為熔覆材料時，不同掃描速度下熔覆層的物相組成種類相同，除了γ-Ni、TiB2、TiB和TiC，熔覆層中還含有NiTi2、NiTi、Ni2B、Ni3B、Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6等物相。當(dāng)激光功率為2.0kW，掃描速度由300mm/min增加到600mm/min時，熔覆層組織變得細(xì)小，顯微硬度升高，耐磨性提高，熔覆層耐磨

8、性提高到鈦合金基材的9.85～14.22倍。
　　當(dāng)激光功率為2.0kW時，雖然Ni60A+15wt.％Ni@B4C熔覆層表層出現(xiàn)了少量氣孔，但由于其微觀組織細(xì)小致密，顯微硬度較高，且摩擦系數(shù)較低（～0.38），耐磨性提高到鈦合金基材的21.33倍;熔覆層中形成的石墨可起到一定的減摩作用。
　　采用“Ni60A+n-B4C”復(fù)合熔覆材料體系，僅通過添加少量n-B4C，在較低功率條件下，便取得了較好的效果;激光功率為1.0kW

9、，掃描速度為450mm/min時，Ni60A+5wt.％n-B4C熔覆層的耐磨性提高到鈦合金基材的43.67倍。在Ni60A+5wt.％n-B4C(1.0kW,450mm/min)和Ni60A+10wt.％n-B4C(2.0kW,450mm/min)熔覆層中，均發(fā)現(xiàn)了團(tuán)聚狀和球狀石墨;石墨在磨損過程中可起到一定的減摩作用，使摩擦系數(shù)降低;含有石墨的熔覆層僅在較低激光功率密度條件下得到，激光功率過高，熔覆層中的C會與熔池中的Ti等元素反應(yīng)