激光熔覆Ti-Al金属间化合物复合涂层的显微组织和性能

发布时间：2019-07-21 15:12

【摘要】：以Ti和Al在高温下的化学反应热力学条件为依据,利用激光熔覆技术在ZL117铝活塞零件表面制备金属间化合物TiAl_3增强的Al基复合涂层。借助XRD、EDS和XPS分析涂层的物相组成和结构特征,通过OM和SEM观察涂层的表面宏观形貌及其内部显微组织,运用马弗炉测试了熔覆涂层在静态空气中的高温抗氧化性能。结果表明,复合涂层主要由浅灰色网状组织TiAl_3、暗灰色网状间隙相α(Al)和少量晶须状Si组成。复合涂层中Ti以TiAl_3形式存在,在TiAl_3中结合能分别为460.53 eV(Ti2p1峰)和454.96 eV(Ti2p3峰);Al则以TiAl_3、Al_2O_3和Al的形式存在,3种物相中Al的结合能分别为73.60、75.82和72.90 eV。600℃恒温80 h下的氧化动力学曲线显示,相同氧化条件下,涂层氧化增质较为平缓,氧化速率小,具有较好的相对高温抗氧化性能,相对高温抗氧化值最大为2.64。熔覆涂层表面氧化产物为Al_2O_3和TiO_2,铝合金基体表面氧化产物为Al_2O_3和少量SiO_2。
【图文】：

原子活性增强，Ti原子和Al原子在两者界面位置反应生成TiAl3薄层。随着熔池中反应的进行，TiAl3含量增多，薄层不断增厚，TiAl3层中Ti原子和Al原子之间的相互扩散传质过程控制了二者之间的反应速度，而Al原子从TiAl3层中扩散出来与固态的Ti颗粒粉末接触并发生化学反应。与此同时，部分Ti原子也会通过热扩散行为透过TiAl3层与铝液中的Al发生反应生成TiAl3。根据文献[28]，当Ti与Al发生反应且转化率达到0.2时，熔池中二者之间反应会自发进行；当转化率达到0.5时，会出现TiAl中间过渡产物，熔池图1Ti-Al系二元合金相图Fig.1BinaryphasediagramofTi-Alalloy图2化学反应(1)和(2)的Gibbs自由能变化Fig.2Gibbsenergyofchemicalreactions(1)and(2)中金属间化合物TiAl含量逐渐增多，从TiAl3层中热扩散来的Al原子将与TiAl进一步反应生成TiAl3。在熔池冷却过程中，由于Al和Ti完全反应，全部转化为TiAl3，此时熔池中的化学反应结束，所形成的TiAl3在冷却过程中不会再发生熔化，并能均匀地分散在ZL117基体上，最终将得到TiAl3和α(Al)的两相产物。2.2XRD物相和EDS能谱分析图3所示为激光熔覆涂层试样A1、A2和A3的XRD谱。从图3谱线可知，3种激光功率下的物相衍射峰位无明显差别，只是在衍射峰强上有所不同，激光熔覆涂层均由TiAl3、α(Al)和少量Si相组成，没有Ti的峰出现，表明Ti和基材中的Al已完全反应生成了TiAl3。观察熔覆层中上部的放大形貌(见图4)可知，激光熔覆涂层内生长有网状组织。图5所示为图4中对应点1和2位置处的EDS谱及其元素化学组成。分图3激光熔覆层的XRD谱Fig.3XRDpatternsoflasercladdingcoating
化学反应(1)和(2)的Gibbs自由能变化

1142中国有色金属学报2017年6月量较多的条件下才能生成，故而不适合将其作为增强体材料，而TiA13中Ti含量相对较低，容易通过合金化反应制备，是较为理想的增强体材料。由此分析，熔池中可能会发生如下两种化学反应：[Ti]+[Al]=TiAl(s)(1)[Ti]+3[Al]=TiAl3(s)(2)据文献[26]和文献[27]，查出化学反应中各物相的热物理参数和标准摩尔自由能，可得到上面两种反应的标准Gibbs自由能随温度的变化关系如图2所示。从图2中可看出，，在1600K时，ΔGTiAl3(80.97kJ)小于ΔGTiAl(73.47kJ)，说明TiAl3相要比TiAl相稳定，生成TiAl3相的可能性更大，熔池中的化学反应按照反应式(2)进行。另外，由图1所示的Ti-Al二元相图可知，当Ti粉颗粒周围Al原子的摩尔分数达到76%时，Ti和Al在温度达到665℃时发生包晶反应生成TiAl3相，而生成的TiAl3相又被排斥到周围铝液中，形成Al-Ti-TiAl3平衡过度区。但这时的TiAl3相含量很少，形成的TiAl3相也不稳定，在激光束的快速加热和冷却过程中还将溶解于铝液。温度继续升高，熔池中Al原子和Ti原子活性增强，Ti原子和Al原子在两者界面位置反应生成TiAl3薄层。随着熔池中反应的进行，TiAl3含量增多，薄层不断增厚，TiAl3层中Ti原子和Al原子之间的相互扩散传质过程控制了二者之间的反应速度，而Al原子从TiAl3层中扩散出来与固态的Ti颗粒粉末接触并发生化学反应。与此同时，部分Ti原子也会通过热扩散行为透过TiAl3层与铝液中的Al发生反应生成TiAl3。根据文献[28]，当Ti与Al发生反应且转化率达到0.2时，熔池中二者之间反应会自发进行；当转化率达到0.5时，会出现TiAl中间过渡产物，熔池图1Ti-Al系二元合金相图Fig.1BinaryphasediagramofTi-Alall
【作者单位】：昆明理工大学材料科学与工程学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(61368003) 云南省应用基础研究计划重点项目(2016FA020) 云南省中青年学术和技术带头人后备人才资助项目(2014HB007)~~
【分类号】：TG174.4

【参考文献】

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