钛合金表面陶瓷强化金属基复合激光熔覆层的微观组织与耐磨性能研究

发布时间：2018-04-22 21:18

本文选题：钛合金 + 激光熔覆层　；参考：《山东大学》2017年博士论文

【摘要】：钛合金具有比强度高、中低温性能好、耐腐蚀等特点,在航空航天、汽车工业、体育器材和石油化工等领域得到广泛应用。然而,硬度低、耐磨性差的缺点,限制了其在摩擦磨损场合的应用。为了克服此缺点,国内外的研究人员尝试采用各种表面改性方法对钛合金进行表面强化与改性处理,发展了包括化学热处理、离子注入、等离子喷涂、微弧氧化和激光表面处理等技术在内的多种表面处理技术。其中,激光熔覆技术,具有加工效率高、热影响区小、制备的熔覆层与基材呈现冶金结合、涂层厚度可控等优点。通过激光工艺参数调控以及熔覆材料体系设计,可在钛合金表面制备耐磨性优异的熔覆层。本文利用 "Ni60A+微米级 B4C(μ-B4C)"、"Ni60A+Ni 包 B4C(Ni@B4C)" 和"Ni60A+纳米级B4C(n-B4C)"多种复合材料体系对TC4钛合金基材进行激光熔覆处理。在熔覆过程中,熔池内发生复杂的物理化学反应,Ti与B、C可形成TiB2、TiB和TiC,Ni与Ti可形成Ni-Ti金属间化合物,Ni与B可形成Ni2B、Ni3B,Cr与B、C可生成Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6。熔覆层中原位生成的多元强化相形成复合强化效果,显著提高钛合金的硬度与耐磨性。本文探讨了激光功率、扫描速度等工艺参数以及材料配比对熔覆层宏观形貌、缺陷、微观组织、显微硬度与耐磨性的影响,对比研究了微纳米稀土氧化物Nd2O3和La2O3对熔覆过程的影响及其作用机制,阐述了熔覆层中物相的形成机理,分析了熔覆层的强化机制与耐磨机理。Ni60A+μ-B4C 材料体系的熔覆层主要由 γ-Ni、TiB2、TiB、TiC、NiTi2、NiTi、Ni2B、Ni3B、Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6等物相组成;适当提高激光功率(≥2.0kW),保证适宜的激光能量密度,可制备出表面质量较好且无气孔、裂纹等缺陷的熔覆层。采用Ni60A+20wt.%n-B4C熔覆材料,在激光功率为3.0kW、扫描速度为300～600mm/min条件下进行激光熔覆,随着扫描速度的增加,熔覆层中的板条状复合组织尺寸变小,显微硬度由1600HV0.2降低到1200HV0.2;在扫描速度为450mm/min时,熔覆层耐磨性最好,提高到基材的8.30倍。采用Ni60A+10wt.%μ-B4C熔覆材料,研究了 μ-B4C粒度的影响,当μ-B4C的粒度为20μm时,熔覆层表现出最佳耐磨性,约提高到基材的5.36倍。当μ-B4C添加量超过20wt.%时,熔覆层中易出现气孔,不利于耐磨性的进一步改善。稀土氧化物Nd2O3和La2O3对"Ni60A+μ-B4C"熔覆层物相组成的变化影响不大,但可以细化熔覆层的组织,提高显微硬度与耐磨性;纳米级稀土氧化物对微观组织的细化作用优于微米级稀土氧化物,n-La2O3的作用效果最好。然而,n-La2O3的添加量不宜过多,否则在熔覆层中聚集,并造成熔覆层稀释率增加,显微硬度降低,限制了耐磨性的进一步改善;本文中,添加1.0wt.%n-La2O3时,熔覆层磨损失重仅为0.0018g,比同等条件下未添加稀土氧化物的熔覆层(0.0025g)降低了 28%,耐磨性提高到同条件下基材的7.44倍。以Ni60A+20wt.%Ni@B4C为熔覆材料时,不同扫描速度下熔覆层的物相组成种类相同,除了 γ-Ni、TiB2、TiB和TiC,熔覆层中还含有NiTi2、NiTi、Ni2B、Ni3B、Cr2B、CrB、Cr7C3和Cr23C6等物相。当激光功率为2.0kW,扫描速度由300mm/min增加到600mm/min时,熔覆层组织变得细小,显微硬度升高,耐磨性提高,熔覆层耐磨性提高到钛合金基材的9.85～14.22倍。当激光功率为2.0kW时,虽然Ni60A+15wt.%Ni@B4C熔覆层表层出现了少量气孔,但由于其微观组织细小致密,显微硬度较高,且摩擦系数较低(～0.38),耐磨性提高到钛合金基材的21.33倍;熔覆层中形成的石墨可起到一定的减摩作用。采用"Ni60A+n-B4C"复合熔覆材料体系,仅通过添加少量n-B4C,在较低功率条件下,便取得了较好的效果;激光功率为1.OkW,扫描速度为450mm/min时,Ni60A+5wt.%n-B4C熔覆层的耐磨性提高到钛合金基材的43.67倍。在Ni60A+5wt.%n-B4C(1.0kW,450mm/min)和 Ni60A+10wt.%n-B4C(2.0kW,450mm/min)熔覆层中,均发现了团聚状和球状石墨;石墨在磨损过程中可起到一定的减摩作用,使摩擦系数降低;含有石墨的熔覆层仅在较低激光功率密度条件下得到,激光功率过高,熔覆层中的C会与熔池中的Ti等元素反应,生成TiC等碳化物。本文通过采用多种复合材料体系对TC4钛合金表面进行激光熔覆,制备了多元复合强化熔覆层,研究了材料配比及工艺参数对熔覆层微观组织结构与耐磨性的影响,探讨了熔覆层中物相的形成机制及耐磨机理,为该技术的推广应用提供了试验基础与理论依据。
[Abstract]:In order to overcome this disadvantage , many kinds of surface treatment technologies including chemical heat treatment , ion implantation , plasma spraying , micro - arc oxidation and laser surface treatment have been developed . In this paper , the effects of laser power and scanning speed on the microstructure , microhardness and wear resistance of Ni60A + 渭 - 4C alloy were investigated . The effects of laser power and scanning speed on the microstructure , microhardness and wear resistance of the coatings were discussed . The effects of laser power and scanning speed on the microstructure , microhardness and wear resistance of the coatings were discussed . The results show that when the laser power is 2.0kW and the scanning speed is increased from 300 mm / min to 600 mm / min .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4

【参考文献】