鈦合金表面B4C-G激光合金化層的組織與耐磨性研究.pdf

1、由于具有比強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕以及良好的低溫性能等優(yōu)點(diǎn)，鈦及鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、機(jī)械、冶金、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是鈦合金硬度低、耐磨性差，不宜用于制造機(jī)械產(chǎn)品中的傳動(dòng)件，限制了鈦合金更廣泛的應(yīng)用。因此，如何提高鈦合金的表面硬度和耐磨性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，引起了國(guó)內(nèi)外材料領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。激光合金化技術(shù)因?yàn)樘幚硇矢摺⒐ぜ冃涡?、制備出的涂層可與基體達(dá)到冶金結(jié)合，已成為鈦合金表面強(qiáng)化與改性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　

2、本課題采用激光合金化技術(shù)對(duì)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行表面強(qiáng)化，在開放的氮?dú)猸h(huán)境下采用B4C和石墨粉實(shí)現(xiàn)B-C-N多元復(fù)合激光合金化，制備出以TiC、TiN、TiB、TiB2，Ti(CN)等陶瓷硬質(zhì)相為主要強(qiáng)化相，以TiAl、Ti3Al和Al3Ti等金屬間化合物為輔助強(qiáng)化相的高硬度、耐磨陶瓷復(fù)合涂層。課題將粉末合金化與氣體合金化相結(jié)合，通過對(duì)涂層材料的設(shè)計(jì)和制備工藝的調(diào)整來控制涂層中陶瓷相的種類、含量和分布特征，

3、減輕涂層的脆化傾向;通過對(duì)涂層的化學(xué)成分、物相結(jié)構(gòu)、微觀組織、硬度及耐磨性的研究，揭示出激光合金化過程中陶瓷相的原位形成機(jī)制、合金化層的界面結(jié)構(gòu)以及涂層的強(qiáng)化機(jī)制，闡明Ti粉和稀土氧化物Y2O3在基體相的凝固過程和陶瓷相的形成過程中的作用機(jī)制，揭示涂層成分-制備工藝-微觀組織-性能之間的內(nèi)在規(guī)律。
　　研究表明，采用B4C陶瓷粉與石墨粉，在開放的氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金表面進(jìn)行多元復(fù)合激光合金化，能夠獲得與基體具有牢固

4、冶金結(jié)合的高硬度復(fù)合陶瓷涂層;涂層中含有TiC、TiN、TiB、TiB2、Ti(CN)和Ti3Al等多種原位生成的硬質(zhì)強(qiáng)化相，這些強(qiáng)化相在熔池凝固過程中相間生長(zhǎng)、相互牽制，有利于獲得組織細(xì)小、致密的激光合金化層;涂層粉末成分、氮?dú)鈮毫凹す夤に噮?shù)均會(huì)影響合金化層的表面宏觀質(zhì)量和微觀組織，本課題試驗(yàn)條件下，氮?dú)鈮毫χ禐?.4MPa，B4C與石墨粉的配比為2∶1和1∶1，激光比能E范圍為3.8～5.7kJ·cm-2時(shí)，能夠獲得宏觀表面平整

5、，微觀組織致密，無明顯氣孔及裂紋的合金化層。
　　將Ti粉引入合金化粉末中，有利于合金化過程中熔池中原位反應(yīng)的發(fā)生，生成更多TiC、TiN、TiB、TiB2、Ti(CN)等陶瓷強(qiáng)化相，使得合金化層硬度及耐磨性得到提高。但是當(dāng)Ti含量過高時(shí)，過量的Ti殘留在合金化層中，不利于合金化層整體硬度和耐磨性能的提高。研究表明，當(dāng)Ti的添加量為30wt.％時(shí)，獲得的合金化層硬度最高、耐磨性最好。
　　稀土氧化物Y2O3對(duì)合金化層的微觀組

6、織具有明顯細(xì)化的作用，激光合金化過程中，部分未熔化Y2O3可以作為凝固過程中的異質(zhì)形核核心，部分Y2O3會(huì)分解為Y與O2。Y作為表面活性元素，容易吸附在晶界或相界，阻礙晶界移動(dòng);Y還可以減小液態(tài)金屬的表面張力和臨界形核半徑，提高形核率，有利于細(xì)化合金化層的組織。但是，過多的Y2O3會(huì)增加合金化層的脆性，不利于合金化層耐磨性能的提高。研究表明，添加1wt.％Y2O3時(shí)，可以獲得耐磨性能最好的激光合金化層。
　　在合金化材料中同時(shí)引入

7、適量的Ti粉和Y2O3，在適宜的激光工藝參數(shù)下，可以制備出組織細(xì)小致密、硬度高、耐磨性優(yōu)異的合金化層。研究表明，同時(shí)添加30wt.％Ti粉與1wt.％Y2O3的合金化層硬度約為Ti-6Al-4V合金基體硬度的4倍，并表現(xiàn)出較好的耐磨性。
　　本課題利用激光合金化技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備出多元強(qiáng)化的復(fù)合陶瓷涂層，揭示了合金化過程中陶瓷相的原位形成機(jī)制、合金化層與基體相的界面結(jié)構(gòu)，闡明了金屬Ti粉與稀土氧化物Y2O3在合金