稀土对激光熔覆Ti-B-N体系组织与性能的影响

发布时间：2020-05-23 14:40

【摘要】：钛合金具有密度低、比强度高及耐腐蚀性好等特点,但是钛合金的耐磨性差在苛刻磨擦领域的运用受到限制。在钛合金表面激光熔覆含陶瓷材料的涂层是有效改善钛合金耐磨损性能的方法之一。此外,稀土元素由于自身特殊的物理特性和化学特性,有利于促进晶粒的细化、改善组织的均匀性并改善熔覆层的摩擦磨损性能。目前,有关添加稀土后得到的金属陶瓷复合涂层的组织和性能的关系的研究较少,故研究激光熔覆Ti-B-N-Re体系的结晶过程,进一步探讨熔覆层组织结构与摩擦磨损性能的关系。首先研究了激光熔覆工艺参数激光功率和激光扫描速度对熔覆层的组织和性能的影响。在采用合适的激光熔覆工艺参数条件下,可在Ti-3Al-2V表面原位生成冶金结合良好的TiB-TiN复合陶瓷强化涂层,稀释率较低且无明显的缺陷。熔覆层原位形成了针棒状组织TiB和等轴树枝晶粒组织TiN。随着激光功率的升高,熔覆层的宏观几何尺寸随之增大,而稀释率随之降低;TiN的形核与长大的驱动力优于TiB,优先在熔池中形核与长大;熔覆层的显微硬度变大。随着激光扫描速度的增大,稀释率呈降低趋势;熔覆层的TiN和TiB尺寸逐渐减小,均匀性降低;熔覆层的显微硬度随之降低。研究了引入不同稀土对TiB-TiN复合陶瓷熔覆涂层的增强相微观组织形貌与分布、显微硬度、摩擦磨损性能的影响。研究发现通过添加适量CeO_2,熔覆层中的强化相更加细小,组织分布更加均匀,硬度和摩擦磨损性能均得到提高。其中,CeO_2为2 wt.%时,熔覆层的表层硬度最大且耐磨损性能最佳,磨损机制属于磨粒磨损。添加适量的Y能使强化相和熔覆层的组织均得到一定程度的细化;添加过量的Y后强化相和熔覆层的组织反而有所粗化。其中,Y为1 wt.%时,熔覆层的表层硬度最大且耐磨损性能也最佳,此时的磨损机制属于磨粒磨损。激光熔覆是一个快速凝固过程,激光熔覆Ti-B-N-Re体系的结晶过程为:I)原料受热熔化形成液相L;II)初生相TiN开始形核并长大;III)液相和初生相TiN包晶反应生成α-Ti;IV)形成稀土间化合物RE_xM_y促进初生相TiB形核并长大;V)共晶反应生成TiB-β-Ti;VI)β-Ti发生转变形成α-Ti。TiN的结晶要优先于TiB,TiN从上部到底部主要由细小的等轴晶组织向粗大的层片状树枝晶组织转变;TiB的结晶过程由动力学因素主导,粗大的棒状初生相组织TiB主要存在于熔覆层的上部和底部,在熔覆层的中部仅存在TiB和α-Ti组成的共晶组织形貌。熔覆层顶部强化相组织细小、分布弥散,具有更佳的硬度及耐磨性能。强化相的数量对摩擦磨损性能影响的权重比强化相的粒度更大。
【图文】：

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上海交通大学硕士学位论文Al-Y-O 体系如图 1-2 所示，熔覆涂层表现出更细小的微观组织当 Y2O3含量为 3 wt. %时，熔覆层的显微硬度高于 Y2O3含量层，但是却产生了微裂纹，并且由于熔池温度的降低导致部分图 1-3 所示，，这将显著降低熔覆层的耐磨性。

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加 1 wt. % Y2O3的熔覆层的 SEM 照片[51]：(a)熔覆层和界面；(b)熔覆层的大图；(c)TiB2/Al2O3相；(d)Y2O3聚集；(e)Si-Al-Y-O 体系ross-sectional SEM micrographs of laser cladding with 1 wt. % Y2O3added (interface; (b) Partial enlarged graphof cladding zone; (c) TiB2/Al2O3; (d) nanSi-Al-Y-O system
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG146.23

【参考文献】