钛合金表面激光熔覆二硅化钼涂层的组织与性能的研究

发布时间：2017-07-20 19:16

  本文关键词：钛合金表面激光熔覆二硅化钼涂层的组织与性能的研究

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【摘要】：钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好等优点,在航天航空等重要领域有着广泛的应用前景,但由于钛合金耐磨性差,极大地限制了其在工程上的应用范围,如何提高钛合金的耐磨性能是很多研究者所关注的问题。高功率激光器的出现,为材料表面改性提供了一种新的有效手段,在金属材料表面激光熔覆制备陶瓷-金属基复合材料涂层,是提高其耐磨性一种有效的方法。本课题主要研究了激光熔覆Ti粉与MoSi_2粉的混合粉末以及Ti-Mo-Si混合粉末作为涂层粉末,分别得到自添加钛基MoSi_2复合涂层和原位生成钛基MoSi_2复合涂层两种涂层,对其显微组织和摩擦磨损性能等方面的内容进行研究,探讨了激光熔覆参数对强化相分布与形态的影响,不同的Mo元素与Si元素含量对涂层强化相形态和分布的影响,两种方法得到的钛基MoSi_2涂层在摩擦系数,磨损率和磨损形貌上的区别,进而研究MoSi_2作为钛合金表面激光熔覆的强化相的优势和可能性,为进一步改善钛合金的摩擦磨损性能奠定了一定的基础。下面为主要研究内容及实验结论:(1)利用原位合成的方法,按照Mo:Si=1:2,并添加不同质量分数的纯钛粉,得到钛基MoSi_2粉末。在TC4合金表面分别激光熔覆纯钛粉、Ti-5%(Mo+Si)、Ti-15%(Mo+Si)和Ti-30%(Mo+Si)混合粉末(质量分数,Mo与Si原子比为1:2),通过正交实验选择合适的功率和扫描速度等工艺参数,得到三种不同的涂层,利用金相显微镜(OM)、超景深、扫描电镜(SEM)对熔覆层的微观组织进行观察和研究,X射线衍射仪(XRD)研究熔覆层相组成,用显微硬度仪测得三种熔覆层的硬度。结果发现,功率为2k W扫描速度10 mm·s-1得到熔合较好,缺陷较少的熔覆层。熔覆纯钛粉涂层组织为细小针状马氏体α’相,熔覆Ti-15%(Mo+Si)涂层在界面处共析出的白色条状TiSi_2,熔覆Ti-30%(Mo+Si)涂层上部出现了镶嵌在涂层中的块状Mo5Si3、MoSi_2硬质相,而且白色晶间析出物增多,XRD结果显示β相增多。三种涂层熔覆区硬度有很大的区别,熔覆纯钛粉涂层平均硬度为500 HV0.2左右,熔覆Ti-30%(Mo+Si)涂层最高硬度达到了1150 HV0.2,是基体的3.4倍左右。分析比较了三种涂层组织差异的原因,Mo、Si元素添加对钛合金组织的影响,结合热力学分析,探讨混合粉末原位生成MoSi_2的反应机制。(2)在涂层粉末中自添加工业合成的MoSi_2粉末得到钛基MoSi_2涂层,利用5 k W YLS-5000光纤激光器,在TC4合金表面分别激光熔覆Ti-5%MoSi_2、Ti-15%MoSi_2和Ti-30%MoSi_2混合粉末,通过正交实验选择合适的功率和扫描速度等工艺参数,得到三种不同的涂层,利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)对熔覆层的微观组织进行观察和研究,X射线衍射仪(XRD)研究熔覆层相组成,用显微硬度仪测得三种熔覆层的硬度。结果发现,功率为3 k W扫描速度10 mm·s-1得到熔合较好,缺陷较少的熔覆层。由于过冷度的影响,涂层出现分层的现象,熔覆层主要为白色颗粒相和胞状晶,熔合线以上主要为白色条状晶和细密的针状晶,熔合线以下为细密的针状晶。三种涂层熔覆区硬度最高(900 HV0.2~1150 HV0.2)为Ti-30%MoSi_2粉末,平均是基体的3.4倍,证明随着MoSi_2添加量的增加,硬度逐渐升高。(3)研究了激光工艺参数对组织中强化相分布和形态的影响和强化相的梯形分布,比较了两种方式得到涂层的磨损系数,磨损率和磨损形貌,并研究了其磨损机制。自生成MoSi_2涂层主要磨损机制为磨粒磨损,原位合成涂层为磨粒磨损和黏着磨损混合机制。
【关键词】：激光熔覆 表面强化 二硅化钼 显微硬度 摩擦磨损
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-25
• 1.1 引言14-15
• 1.2 钛及钛合金15-16
• 1.2.1 钛及钛合金的性质15
• 1.2.2 钛及钛合金的应用15-16
• 1.3 钛合金表面改性的研究现状16-23
• 1.3.1 激光表面淬火16-17
• 1.3.2 激光表面重熔17-18
• 1.3.3 激光表面合金化18
• 1.3.4 激光冲击强化18-19
• 1.3.5 激光熔覆19-20
• 1.3.6 激光熔覆的技术特点20
• 1.3.7 熔覆层的成型机理20-21
• 1.3.8 激光熔覆工艺21-22
• 1.3.9 陶瓷基复合粉末增强钛基复合材料的研究进展22-23
• 1.4 原位自生技术23-24
• 1.5 本课题主要研究内容24-25
• 第二章 试验材料、设备及试验方案25-35
• 2.1 试验材料25-26
• 2.2 激光熔覆设备26-29
• 2.2.1 激光器与熔覆头27-28
• 2.2.2 运动控制装置28
• 2.2.3 气体保护装置28-29
• 2.3 实验方案29-32
• 2.3.1 激光熔覆实验参数选择29-31
• 2.3.2 涂层组分设计31-32
• 2.4 显微组织检测32-33
• 2.4.1 X射线衍射分析32
• 2.4.2 金相组织分析32-33
• 2.4.3 扫描电镜组织观察33
• 2.5 性能测试设备及方法33-34
• 2.5.1 硬度检测33
• 2.5.2 摩擦磨损性能检测33-34
• 2.6 实验基本内容及流程34-35
• 第三章 激光熔覆工艺参数对涂层组织的影响35-44
• 3.1 熔覆层的组织结构35-37
• 3.2 激光功率对涂层组织的影响37-40
• 3.3 激光扫描速度对涂层的影响40-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 激光熔覆原位合成Ti基MoSi_2涂层的组织与性能的研究44-52
• 4.1 宏观质量44-45
• 4.2 涂层XRD分析45-46
• 4.3 显微组织46-50
• 4.4 显微硬度50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 激光熔覆Ti-MoSi_2混合粉末涂层的组织与性能的研究52-59
• 5.1 宏观质量52-53
• 5.2 涂层XRD分析53-54
• 5.3 显微组织54-57
• 5.4 显微硬度57-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第六章 涂层的摩擦磨损性能和磨损机制分析59-65
• 6.1 涂层的磨损性能研究59-62
• 6.2 涂层的磨损机制62-64
• 6.3 本章小结64-65
• 第七章 总结与展望65-68
• 7.1 总结65-66
• 7.2 创新点66-67
• 7.3 展望67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果73-74
• 致谢74-75

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