鈦合金表面激光硼碳氮合金化層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性能研究.pdf

1、鈦合金由于存在硬度較低且易產(chǎn)生粘著性磨損等缺點(diǎn)從而使它們的優(yōu)良性能(如比強(qiáng)度高、耐蝕性較好等)得不到充分發(fā)揮。為提高鈦合金的表面硬度和耐磨性能，本文采用激光表面改性技術(shù)對(duì)鈦和Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了硼碳氮處理。分析了激光工藝參數(shù)對(duì)合金化層組織形貌的影響，探討了經(jīng)不同合金元素處理后合金化層內(nèi)組織的生長(zhǎng)機(jī)理，并對(duì)不同組分合金化后合金化層的耐磨性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的測(cè)試分析。 激光工藝參數(shù)(如激光輸出功率、掃描速度和光束直徑等)對(duì)

2、合金化層的組織形貌和性能具有較大的影響。增大激光功率和降低掃描速度，合金化層厚度增加，而組織亦隨之粗大。在本試驗(yàn)條件下(預(yù)涂粉末的種類及厚度和采用的保護(hù)氣體及壓強(qiáng)等)，當(dāng)激光功率為1200W，光束直徑為2mm，掃描速度為3.0～4.0mm/s，搭接量為45～55％時(shí)可獲得較為理想的合金化層。 經(jīng)激光碳合金化后，合金化層內(nèi)原位生成的TiC呈樹(shù)枝狀，枝晶臂垂直于主干生長(zhǎng)，枝晶由貌似塊狀的顆粒晶體組成。由于在凝固過(guò)程中液態(tài)原子易優(yōu)先沿

3、著密排面上的密排方向附著。對(duì)面心立方晶系的TiC晶體而言，<111>方向是{111}密排面和<110>密排晶向的交匯處，易于優(yōu)先生長(zhǎng)，從而使得TiC晶體沿著<111>方向形成枝晶主干。而與晶體主干垂直的{111}密排晶面則是枝晶臂優(yōu)先生長(zhǎng)的方向。熔池在不同方向的熱梯度不同使得晶體優(yōu)先沿著熱梯度降較大的方向生長(zhǎng)，從而形成了樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的TiC枝晶。 晶體生長(zhǎng)模式可由臨界過(guò)冷度△T<,c>的大小判定。當(dāng)△T>△T<,c>時(shí)為連續(xù)生長(zhǎng)模

4、式，形成粗糙界面；當(dāng)△T<△T<,c>時(shí)則為側(cè)向生長(zhǎng)模式，形成光滑界面。在最初的結(jié)晶階段由于較大的成分過(guò)冷度和實(shí)際過(guò)冷度使得結(jié)晶以連續(xù)生長(zhǎng)模式進(jìn)行形成枝晶主干。結(jié)晶散發(fā)出大量的結(jié)晶潛熱導(dǎo)致實(shí)際過(guò)冷度減小，而溶質(zhì)的減少則導(dǎo)致以連續(xù)生長(zhǎng)模式結(jié)晶所需的臨界過(guò)冷度增大。因此，隨著溶質(zhì)的減少和實(shí)際過(guò)冷度的減小，結(jié)晶模式則由連續(xù)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向螺旋生長(zhǎng)進(jìn)行。所以其后的結(jié)晶便以最初形成的枝狀晶胚的局部(如晶胚的晶?；騺喚Я＿m于側(cè)向生長(zhǎng)的表面)為核心，以

5、側(cè)向生長(zhǎng)的螺旋方式長(zhǎng)大，形成了貌似以塊狀晶線性排列的樹(shù)枝狀TiC。 激光氮化后氮化層內(nèi)形成了較多的裂紋。由于氮?dú)庠谌鄢刂械娜芙鈨H在熔體表面發(fā)生，因而熔池中表層的氮濃度較高，且隨深度增加而下降。高的氮濃度導(dǎo)致高的氮化物含量，而高的氮化物含量造成了表層高的彈性模量(TiN的彈性模量為616GPa，Ti基體的彈性模量為110GPa)。TiN晶體內(nèi)存在高的應(yīng)力、大量的位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)。這些位錯(cuò)在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)，滑移的結(jié)果必然造成

6、位錯(cuò)的堆積，從而造成合金化層高的硬度和脆性，所以高密度的TiN晶體集于氮化表層則易導(dǎo)致裂紋的形成。 鈦合金經(jīng)激光硼化后，合金化層內(nèi)的硼化物主要為棒狀和塊狀。與面心立方晶系的TiC和TiN不同，正交晶系的TiB和六方晶系TiB<,2>沒(méi)有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯的晶面和晶向，所以易于形成等軸狀晶體。又由于TiB和TiB<,2>晶體中鍵能B-B>B-M>M-M，故晶體易于沿著B(niǎo)-B鍵方向生長(zhǎng)形成棒狀形貌。 硼可細(xì)化鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，這是

7、因?yàn)橄裙簿У腡iB晶?？善鸬疆愘|(zhì)核心的作用。TiB與基體Ti之間存在一定的位向關(guān)系(如：(001)<,TiB>∥(1101)<,α-Ti>，( )<,TiB>∥( 012)<,α-Ti>，[21 1]<,α-Ti>∥[110]<,TiB>)，因此可推知，先共晶的TiB晶粒可作為異質(zhì)核心從而使得組織細(xì)化。另一方面，凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配使得溶質(zhì)偏聚在固-液界面。當(dāng)硼在固-液界面前緣達(dá)到一定濃度時(shí)硼化物晶核將會(huì)不斷的自發(fā)形成長(zhǎng)大，導(dǎo)致固-液

8、界面推進(jìn)受阻，從而限制了晶體的長(zhǎng)大。 與激光碳、氮和硼分別合金化相比，碳-氮-硼復(fù)合合金化可細(xì)化合金化層的化合物并改善其形貌。由于復(fù)合合金化時(shí)，不同的化合物相間生長(zhǎng)，相互牽制，從而減少了發(fā)達(dá)枝晶的形成，細(xì)化了化合物組織。 稀土氧化物有細(xì)化鈦合金激光合金化層組織結(jié)構(gòu)的效果。這是因?yàn)楫?dāng)被高能量激光束輻照后，涂層中的大部分的CeO<,2>和Y<,2>O<,3>發(fā)生分解釋放出鈰和釔原子。首先，稀土是表面活性元素，結(jié)晶時(shí)稀土元素因

9、具有吸附能力而易于聚積在晶體的表面。晶體的不同表面對(duì)表面活性元素的吸附量是不同的，張力最大的表面生長(zhǎng)的最快，活性元素的吸附量也最大。當(dāng)表面吸附了一層活性元素后，該表面的張力將會(huì)降低，生長(zhǎng)速度亦隨之降低。理論推導(dǎo)表明，吸附量最大的表面在降低晶體的表面能方面起著重要的作用。因此，表面吸附不僅使晶體的表面能降低，而且能阻止張力大的表面生長(zhǎng)過(guò)快，所以使晶粒得以細(xì)化。 其次，作為表面活性元素，Ce和Y能降低熔體表面張力和熔體與晶核間的界面

10、能。晶相與熔體間的自由能改變可產(chǎn)生促進(jìn)形核的動(dòng)力。固-液界面能越低，則形核所需的形核功也越低。所以，Ce和Y能降低形核功，促進(jìn)自發(fā)形核，因而細(xì)化了基體組織。 另一方面，由于Y<,2>O<,3>與β-Ti均為立方晶系，而CeO<,2>和α-Ti均為六方晶系，所以在凝固過(guò)程中未熔的Y<,2>O<,3>和CeO<,2>的顆?？勺鳛楫愘|(zhì)晶核，起到孕育效果，使得合金化層的組織得到進(jìn)一步細(xì)化。 再者，由于鈰和釔的原子半徑較大，若其存在

11、于晶粒內(nèi)則將導(dǎo)致晶格扭曲，體系的能量增大。所以Ce和Y易于在晶格排列不規(guī)則的晶粒邊界富集，從而能保持體系的自由能最低。因此，合金化層中的Ce和Y原子主要分布于晶粒邊界，當(dāng)晶粒生長(zhǎng)時(shí)，邊界上的Ce和Y原子將對(duì)晶界的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生牽制作用，抑止了晶粒的生長(zhǎng)。由于與氧具有較強(qiáng)的親和力，在凝固過(guò)程中富集在晶粒邊界的Ce和Y會(huì)重新與氧結(jié)合。因此，在這些顆粒尺寸較大的氧化物附近將會(huì)形成較高的應(yīng)變能，這必定會(huì)對(duì)晶粒的生長(zhǎng)起阻礙作用。 經(jīng)激光碳、氮、

12、硼分別合金化后合金化層的硬度為1100～1300HV<,0.1>，明顯高于純鈦(約350 HV<,0.1>)和Ti-6AI-4V(約405 HV<,0.1>)。磨損試驗(yàn)表明，合金化層的磨損抗力是基體的3～4倍。當(dāng)采用碳-氮-硼或TiC、TiN等合金粉末復(fù)合合金化后，試樣的表層硬度可達(dá)1600～1700HV<,0.1>，磨損抗力高于基體5倍以上。合金化層的磨損表面較為平整，形成的溝槽較淺，未發(fā)生粘著磨損，而基體的磨損表面粗糙，存在較深的溝