Ti6Al4V合金表面激光熔覆高温抗氧化及耐磨复合涂层试验与分析

发布时间：2020-11-11 06:01

　　 钛合金具有比强度高、耐腐蚀和生物相容性好等优点,已在航空航天、化工、医疗器械等领域得到广泛应用。但表面易磨损、高温下氧化严重等缺点制约了其作为关键高温运动零部件的使用。激光熔覆是表面改性技术的一种,可在钛合金表面制备出没有气孔、裂纹等缺陷,且与钛合金结合良好的复合涂层。在钛合金表面激光熔覆制备具有高温抗氧化和耐磨损性能的复合涂层,无疑是一种经济、有效的方法。为了同时改善钛合金的高温抗氧化和摩擦学性能,研究并开发先进复合材料涂层新体系。选用Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si(质量分数,Mo与Si按原子比1∶2计算)混合粉末为原料,采用激光熔覆技术,在Ti6Al4V合金表面制备复合涂层。使用维氏显微硬度计、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)分别测定涂层截面的显微硬度、物相组成和显微组织。使用高温电阻炉对Ti6Al4V合金和三种涂层进行了时长为100 h的高温(800℃)氧化试验,结合热力学及动力学分析了相应的氧化机理。使用高温摩擦磨损试验机对Ti6Al4V合金和涂层进行了室温和高温(800℃)摩擦磨损试验,分析其磨损机理。实验结果表明:在Ti6Al4V合金表面激光熔覆制备出高温抗氧化和耐磨复合涂层N1、N2、N3(对应熔覆粉末为Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si)。复合涂层中没有裂纹产生,仅有少量的气孔,且与基体结合良好。激光熔覆Ni-Mo-Si复合涂层以α-Ti、NiTi为基体,以Ti_5Si_3、TiSi_2、Mo_5Si_3、MoSi_2为硬质增强相,其中以Ti_5Si_3居多。不同粉末配比的熔覆涂层,随着Ni含量的增加,基体相增多,硬质相Ti_5Si_3得到细化。涂层N1、N2、N3的平均显微硬度分别为917.5 HV_(0.5)、850.8 HV_(0.5)、795.6 HV_(0.5),分别为Ti6Al4V合金基体(350 HV_(0.5))的2.6、2.4、2.3倍,可见涂层随Mo-Si含量减少,硬度略有降低。Ti6Al4V合金高温800℃下100小时的空气氧化动力学曲线遵循直线定律,100 h后,其单位面积增重约为23.38 mg/cm~2,表面氧化严重。表面氧化膜厚度约为100μm,主要为疏松多孔的TiO_2。并且出现分层和裂纹,与涂层之间发生分离、剥落,高温抗氧化性能差。涂层N1的高温氧化试验开始表现为失重,至60 h时计算得涂层增重仍然为负值-0.31 mg/cm~2,直至80 h后增重为0.21 mg/cm~2,100 h后为1.31 mg/cm~2,单位面积增重只有钛合金基体的5.6%,抗氧化性能优异。涂层N2氧化动力学曲线与涂层N1相似,同样是初期阶段失重,至10 h时计算得涂层增重为-0.11 mg/cm~2,14h后为0.09 mg/cm~2,100 h后为2.81 mg/cm~2,单位面积增重为钛合金基体的12%,抗氧化性能良好。涂层N3的高温动力学曲线接近于抛物线,并没有表现出失重,氧化100 h后单位面积增重为13.54 mg/cm~2,单位面积增重是钛合金的57.9%,抗氧化性能有一定的提升。室温下,Ti6Al4V合金的摩擦系数为0.52,磨损率为22.6×10~(-5)mm~3/Nm,磨损机理为氧化磨损、块状剥落和犁沟;涂层N1、N2和N3的摩擦系数为分别0.44、0.36和0.43,磨损率分别为16.2×10~(-5)mm~3/Nm、11.2×10~(-5)mm~3/Nm和17.5×10~(-5)mm~3/Nm。常温下,三种涂层的耐磨损性能较钛合金基体均有一定的提升,其中以涂层N2最为优异。高温800℃下,Ti6Al4V合金的摩擦系数为0.46,磨损率为13.9×10~(-5)mm~3/Nm;涂层N2的摩擦系数为0.28,磨损率为0.65×10~(-5)mm~3/Nm。涂层N2在高温800℃下的磨损性能对比其常温下的磨损性能或者同环境下钛合金基体的磨损性能均有很大提升,常温和高温耐磨性优异。综上所述,在本文的材料成分和试验条件下,激光熔覆Ni-42%Mo-28%Si复合涂层具有优异的高温抗氧化性能和耐磨损性能。为扩展钛合金在发动机等高温、高磨损工作环境下的应用提供涂层制备材料体系的理论参考。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

i5Si3硬质相，涂层具有较高硬度，但随着硬质相增多，涂层脆性大，耐磨性温条件下，涂层表面主要为疏松多孔的 TiO2、Cr2O3和 SiO2氧化物。由于有较高亲和性，具有较低反应吉布斯自由量，所以氧化物中 TiO2含量较多孔的 TiO2氧化层不能阻止氧气的扩散，氧化层进一步氧化变厚，脆性 T达到一定厚度容易发生脱落，脱落的表面氧化物有重新形核与长大，如此金原材料被消耗掉[26]。Guo C[27]等在纯钛表面激光熔覆 NiCrBSi 和 NiCrBSi/WC 混合粉末制备复涂层显微硬度和连续升温氧化性能进行研究。其结果表明：熔覆 NiCrBBSi/WC 的复合涂层硬度均有明显提升，如图 1-1，耐磨性也优于纯钛基程中（约 2 小时），纯钛基体在 300 ℃时开始被氧化，500 ℃时，氧化速；两种复合涂层在 750 ℃以下没有增重，可以保护纯钛基体。在 700-900由于 WC 的氧化，添加了 WC 的涂层比没有添加的涂层氧化速度明显增加2 所示。

图 1-2 纯 Ti 基体和激光熔覆涂层氧化过程中质量随温度变化曲线[27] 激光熔覆高温抗氧化复合涂层金属材料的高温氧化过程主要由界面反应和元素扩散组成，其界面由气体与面和氧化层与金属界面组成。氧分子在碰撞金属表面时产生物理吸附，之后解成氧原子与金属离子分离电子反应，随着氧原子增加，氧原子与金属离反应，氧化产物在金属表面形核，晶核沿金属表面平行生长，并在金属表面薄的氧化膜，氧化膜将空气与金属隔开，金属表面进一步的氧化需要元素。即氧原子通过氧化膜向内扩散，金属原子通过氧化膜向外扩散，两者在反生氧化反应，氧化膜增厚。所以金属是否具有抗氧化性能，主要在于氧化膜，能否阻止氧原子的内扩散与金属原子的外扩散。Al2O3、SiO2和 Cr2O3为连续致密氧化物，能有效阻止气体的扩散，是理想氧化材料[28-30]。Zafir Alam M[31]和 Yoon J K[32]等研究 WSi2涂层高温氧化

O3，氧化动力学曲线近似符合抛物线规律，如图1-3(a)所示。复合涂层表面生成的一层氧化膜连续致密，如图 1-3(b)所示，具有良好的高温抗氧化性能。图 1-3 (a) 等离子熔覆涂层氧化动力曲线，(b) 氧化膜表面形貌 SEM 照片[33]张来启[34]在 45 号钢基体激光熔覆 MoSi2粉末涂层，研究其组织结构和硬度。结果表明：涂层的相组成为 FeMoSi、Fe2Si 和少量的 Mo5Si3。涂层硬度可达 845 HV0.5，基体硬度为 180 HV0.5，涂层硬度比基体高 3.7 倍。郑亮[16]在 TC4 合金表面分别激光熔覆纯 Ti 粉、Ti-15%(Mo-Si) 和 Ti-30%(Mo-Si) 混合粉末。结果显示，熔覆Ti-30%(Mo-Si) 涂层上部出现了镶嵌在涂层中的分块状 Mo5Si3、MoSi2硬质相
【参考文献】

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本文编号：2878847