激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究进展
发布时间：2021-09-04 16:29
钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强等显著优点,在航空航天、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。然而,钛合金硬度低、耐磨性差,严重制约其在摩擦工况下的使用寿命。激光熔覆技术具有生产效率高、热影响区窄、结合强度高、组织致密等优势,被广泛用于钛合金零部件表面改性和熔覆修复。高硬、高模量碳化钛的热物性参数与钛合金基材相近,常被选作激光熔覆钛基复合涂层的增强相,以提高其耐磨性。介绍了碳化钛的晶体结构、生长形态和性能特点。综述了碳化钛增强钛基激光熔覆材料体系以及工艺参数对熔覆层成形质量、宏观形貌和微观组织的影响。重点从碳化钛增强相的分布、数量、尺度以及相结构等方面,论述了碳化钛增强钛基激光熔覆层的组织特征,同时阐述了碳化钛强化机制,讨论了碳化钛增强钛基激光熔覆层组织特征与耐磨性能的内在关联性。最后提出了目前激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究中存在的问题与展望。
【文章来源】：表面技术. 2020,49(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
碳化钛晶体结构模型
Ti Cx主要呈现多面体、八面体、六边形、球形、枝晶和花瓣等形态，如图2所示[29-30]。Ti Cx的物理和化学性质与其形态紧密相关。Jin等[31]指出C/Ti摩尔比为0.6、0.7和1.4时，Ti Cx晶体形貌分别为八面体、截八面与近球形混合态和球形。Dong等[32]采用燃烧合成法在Al-Ti-C体系中制备的Ti Cx也呈现出类似结论：随着x从0.5增大到1.0,Ti Cx的形貌逐渐从八面体转变为截八面体直至球形。可以看出，Ti Cx的化学计量比对其晶体形貌具有显著影响。Zarrinfar等[26]采用高温自蔓延法合成了不同化学计量比的Ti Cx，当x取值在0.5～0.8时，Ti Cx的晶格常数随着x的增大而增大，之后随着含碳量进一步增加，晶格常数逐渐减小。金云学等[33]指出，合金元素Si、Mo、Al能够影响碳化钛凝固界面的过冷状态，同时改变碳元素的扩散通量和扩散距离，从而导致不同形态的碳化钛形成。Nie等[34]在Al-Ti-C体系中添加微量硼元素，致使Ti Cx形貌由八面体转变为层板状的六边形。Song等[35]研究表明，Al-Ti-C体系中随着Al含量的增加，Ti Cx尺寸迅速减小，并且Ti Cx形貌由块状转变为八面体。Zhang等[36]通过设计Cu-Ti-C体系，并采用热压法和热爆炸法，成功制备了Ti Cx增强复合材料。结果表明，C/Ti摩尔比对Ti Cx的形貌有显著影响，同时指出随着反应体系中Cu含量减少，Ti Cx形貌发生从立方体到近球形直至球形的转变。因此，Ti Cx的形貌不仅与C/Ti摩尔比有关，而且受其他元素掺杂的影响。Meng等[37]运用激光熔覆技术原位合成了Ti Cx增强相，随着x的增加，Ti Cx的晶格常数也随之增大。值得注意的是，由于激光熔覆快熔快凝的工艺特点以及熔池强烈的搅拌，使得元素对流扩散和固液界面元素再分配规律更为独特，导致非计量比的Ti Cx析出倾向增加，析出机制更加复杂。此外，激光熔覆层中Ti Cx的形貌主要包括枝晶状、花瓣状、球形或类球形、针状以及部分不规则形状。因此，Ti Cx的生长形态和相结构除了与C/Ti计量比有关外，还与合成方法紧密相关。1.2 碳化钛增强相性能
碳化钛增强钛基激光熔覆层的性能主要取决于其组织特征，特别是碳化钛增强相的类型、形貌、尺度、数量以及分布规律等。碳化钛在钛基激光熔覆层中的形貌主要包括枝晶状、颗粒状、花瓣状等。Sun等[86]通过预置Ni Cr BSi和Ti C粉末的方式在钛合金表面制备了激光熔覆层，根据组织特征将熔覆层划分为熔覆区、稀释区和热影响区三个典型区域。熔覆区Ti C主要呈颗粒状，Ti C粉末经高能激光辐照后快速熔融，并在随后的熔池冷却过程中重新析出，其中较小尺度的Ti C颗粒分布于γ-Ni枝晶处，而较大尺度的Ti C和部分未熔的Ti C颗粒主要分布在γ-Ni枝晶间，稀释区中不存在未熔的Ti C粉末，重新析出的Ti C呈枝晶状分布于β-Ti基底上，如图4所示。Zhang等[87]在Ti6Al4V合金表面预置纯Ti和Cr3C2混合粉末，经激光熔覆加工后，原位合成了Ti C增强钛基复合涂层，并且发现颗粒状Ti C(<1.5μm）沿熔覆层厚度方向呈梯度分布。纳米陶瓷材料具有独特的结构和尺寸效应，可明显改善界面结合状态，缓解界面应力集中，进而缓解熔覆涂层产生裂纹、气孔等缺陷的倾向性。Liang等[88]研究了不同尺度陶瓷颗粒与金属基体之间的结合强度，与微米级相比，纳米陶瓷涂层与金属基体的结合强度提高了约86%。He等[89]研究表明，熔覆粉末中Ti C粉末尺度对Ti Al合金激光熔覆层的成形质量和Ti C分布特征有显著影响，当熔覆粉末中Ti C颗粒尺寸为微米级时，熔覆层的宏观质量较差，Ti C呈无序且发达的树枝晶状，但是当熔覆粉末中Ti C颗粒尺寸为纳米级时，Ti C为颗粒状且呈均匀、有序分布。Li等[90]在Ti6Al4V合金表面分别制备了30%和40%Ti C+Al激光熔覆涂层，当混合粉末中Ti C质量分数为30%时，涂层中无气孔、裂纹等缺陷，且Ti C呈枝晶状生长，然而当混合粉末中Ti C质量分数为40%时，熔覆层中出现明显的气孔、裂纹以及未熔Ti C粉末，同时Ti C呈颗粒和细针状分布。Li等[68]采用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面原位合成了花瓣和细小颗粒状Ti C。此外，具有复合相结构的碳化钛增强复合涂层也是众多学者近几年的研究热点之一。刘亚楠等[91]在激光熔覆层中发现了Ti C-Ti B2复合相，基于Bramfitt二维错配度理论，揭示了颗粒状Ti C能以长杆状Ti B2为异质形核基底形核并长大，这种复合相结构可显著细化Ti C颗粒。另外，本文作者所在课题组还发现了Ti C-Ti B2、Ti2SC-Ti2Ni等复合结构相，如图5所示[92-93]。Li等[94]在Ti6Al4V合金表面成功制备了Ti C/Ti B/Ti N复合增强激光熔覆层，高熔点Ti C(3150℃）先于Ti N(2950℃）析出，并充当Ti N的异质形核基质，Ti N包裹Ti C生长使得未检测到明显的Ti C衍射峰。Wang等[95]在Ti-8Al-1Mo-1V合金表面制备了Ti C/Ti B复合增强激光熔覆层，熔覆层中碳化钛主要由共晶Ti C和少量过饱和析出的Ti C组成，其中共晶Ti C尺寸约为1～5μm，而过饱和析出的细小Ti C尺寸小于100 nm，这两种Ti C均依附β-Ti边界生长。Song等[96]使用纯Ni和B4C粉末在Ti6Al4V合金表面制备了Ti C/Ti B增强α-Ti/Ti2Ni基复合涂层，Ti C组织沿激光熔覆层厚度方向呈明显的梯度分布：熔覆层顶部为枝晶状的初生Ti Cp，随着距熔覆层顶部的距离增加，初生Ti Cp含量和尺寸逐渐减少，直至熔覆层中部的初生Ti Cp完全消失；熔覆层中部的增强相特征为等轴Ti C颗粒与Ti B形成的(Ti B-Ti C)e共晶组织；而结合区组织特征为针状Ti B和(Ti B-Ti C)e共晶组织。Liu等[97]在Ti6Al4V表面制备了Ti C/Ni Ti/Ni3Ti增强激光熔覆层，碳化钛主要呈微米级的颗粒状和少量花瓣状和片状。在靠近结合区约100μm范围内的碳化钛含量明显低于涂层其他区域，但作者并未针对这种现象做出进一步解释。此外，受熔池对流的影响，涂层中的部分碳化钛呈旋涡状分布。图5 复合结构相[92-93]
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4表面Ti2SC-Ti2Ni复合结构相的自润滑激光熔覆层组织与性能[J]. 张天刚,张倩,庄怀风,薛鹏,姚波,徐誉桐,李宝轩. 光学学报. 2020(11)
[2]Ti811表面Ni基激光熔覆层显微组织及摩擦磨损性能的研究[J]. 张天刚,肖海强,孙荣禄,姚波,张倩. 表面技术. 2019(12)
[3]电弧增材制造航空钛合金构件组织及力学性能研究现状[J]. 刘小军,陈伟,黄志江,陈玉华. 精密成形工程. 2019(03)
[4]钛合金表面激光熔覆Ti-Ni+TiN+MoS2/TiS自润滑复合涂层[J]. 高秋实,闫华,秦阳,张培磊,陈正飞,郭加龙,于治水. 材料研究学报. 2018(12)
[5]钛合金表面自润滑陶瓷涂层的组织及耐磨性能研究[J]. 张年龙,王波,张红霞,戴景杰. 表面技术. 2018(12)
[6]Ti3SiC2含量对激光熔覆自润滑涂层组织及性能的影响[J]. 李眉葭,孙荣禄,牛伟,周丹丹. 金属热处理. 2018(10)
[7]Ti811表面激光熔覆复合涂层的微观组织及摩擦磨损性能[J]. 刘亚楠,孙荣禄,牛伟,张天刚,谭金花. 中国激光. 2019(01)
[8]氧化物润滑材料的研究进展[J]. 王蕊,高东强,何乃如,王哲. 表面技术. 2017(09)
[9]钛合金表面激光熔覆Ti/Ni+Si3N4/ZrO2复合涂层组织与性能研究[J]. 余娟娟,张晓玉,马玲玲,李涵,邹龙江,张维平. 表面技术. 2016(04)
[10]钛合金在航空航天及武器装备领域的应用与发展[J]. 刘全明,张朝晖,刘世锋,杨海瑛. 钢铁研究学报. 2015(03)
硕士论文
[1]TC4表面激光诱导原位制备TiC/TiBx钛基复合涂层显微组织及性能的研究[D]. 任翠霞.东北大学 2011
本文编号：3383611
【文章来源】：表面技术. 2020,49(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
碳化钛晶体结构模型
Ti Cx主要呈现多面体、八面体、六边形、球形、枝晶和花瓣等形态，如图2所示[29-30]。Ti Cx的物理和化学性质与其形态紧密相关。Jin等[31]指出C/Ti摩尔比为0.6、0.7和1.4时，Ti Cx晶体形貌分别为八面体、截八面与近球形混合态和球形。Dong等[32]采用燃烧合成法在Al-Ti-C体系中制备的Ti Cx也呈现出类似结论：随着x从0.5增大到1.0,Ti Cx的形貌逐渐从八面体转变为截八面体直至球形。可以看出，Ti Cx的化学计量比对其晶体形貌具有显著影响。Zarrinfar等[26]采用高温自蔓延法合成了不同化学计量比的Ti Cx，当x取值在0.5～0.8时，Ti Cx的晶格常数随着x的增大而增大，之后随着含碳量进一步增加，晶格常数逐渐减小。金云学等[33]指出，合金元素Si、Mo、Al能够影响碳化钛凝固界面的过冷状态，同时改变碳元素的扩散通量和扩散距离，从而导致不同形态的碳化钛形成。Nie等[34]在Al-Ti-C体系中添加微量硼元素，致使Ti Cx形貌由八面体转变为层板状的六边形。Song等[35]研究表明，Al-Ti-C体系中随着Al含量的增加，Ti Cx尺寸迅速减小，并且Ti Cx形貌由块状转变为八面体。Zhang等[36]通过设计Cu-Ti-C体系，并采用热压法和热爆炸法，成功制备了Ti Cx增强复合材料。结果表明，C/Ti摩尔比对Ti Cx的形貌有显著影响，同时指出随着反应体系中Cu含量减少，Ti Cx形貌发生从立方体到近球形直至球形的转变。因此，Ti Cx的形貌不仅与C/Ti摩尔比有关，而且受其他元素掺杂的影响。Meng等[37]运用激光熔覆技术原位合成了Ti Cx增强相，随着x的增加，Ti Cx的晶格常数也随之增大。值得注意的是，由于激光熔覆快熔快凝的工艺特点以及熔池强烈的搅拌，使得元素对流扩散和固液界面元素再分配规律更为独特，导致非计量比的Ti Cx析出倾向增加，析出机制更加复杂。此外，激光熔覆层中Ti Cx的形貌主要包括枝晶状、花瓣状、球形或类球形、针状以及部分不规则形状。因此，Ti Cx的生长形态和相结构除了与C/Ti计量比有关外，还与合成方法紧密相关。1.2 碳化钛增强相性能
碳化钛增强钛基激光熔覆层的性能主要取决于其组织特征，特别是碳化钛增强相的类型、形貌、尺度、数量以及分布规律等。碳化钛在钛基激光熔覆层中的形貌主要包括枝晶状、颗粒状、花瓣状等。Sun等[86]通过预置Ni Cr BSi和Ti C粉末的方式在钛合金表面制备了激光熔覆层，根据组织特征将熔覆层划分为熔覆区、稀释区和热影响区三个典型区域。熔覆区Ti C主要呈颗粒状，Ti C粉末经高能激光辐照后快速熔融，并在随后的熔池冷却过程中重新析出，其中较小尺度的Ti C颗粒分布于γ-Ni枝晶处，而较大尺度的Ti C和部分未熔的Ti C颗粒主要分布在γ-Ni枝晶间，稀释区中不存在未熔的Ti C粉末，重新析出的Ti C呈枝晶状分布于β-Ti基底上，如图4所示。Zhang等[87]在Ti6Al4V合金表面预置纯Ti和Cr3C2混合粉末，经激光熔覆加工后，原位合成了Ti C增强钛基复合涂层，并且发现颗粒状Ti C(<1.5μm）沿熔覆层厚度方向呈梯度分布。纳米陶瓷材料具有独特的结构和尺寸效应，可明显改善界面结合状态，缓解界面应力集中，进而缓解熔覆涂层产生裂纹、气孔等缺陷的倾向性。Liang等[88]研究了不同尺度陶瓷颗粒与金属基体之间的结合强度，与微米级相比，纳米陶瓷涂层与金属基体的结合强度提高了约86%。He等[89]研究表明，熔覆粉末中Ti C粉末尺度对Ti Al合金激光熔覆层的成形质量和Ti C分布特征有显著影响，当熔覆粉末中Ti C颗粒尺寸为微米级时，熔覆层的宏观质量较差，Ti C呈无序且发达的树枝晶状，但是当熔覆粉末中Ti C颗粒尺寸为纳米级时，Ti C为颗粒状且呈均匀、有序分布。Li等[90]在Ti6Al4V合金表面分别制备了30%和40%Ti C+Al激光熔覆涂层，当混合粉末中Ti C质量分数为30%时，涂层中无气孔、裂纹等缺陷，且Ti C呈枝晶状生长，然而当混合粉末中Ti C质量分数为40%时，熔覆层中出现明显的气孔、裂纹以及未熔Ti C粉末，同时Ti C呈颗粒和细针状分布。Li等[68]采用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面原位合成了花瓣和细小颗粒状Ti C。此外，具有复合相结构的碳化钛增强复合涂层也是众多学者近几年的研究热点之一。刘亚楠等[91]在激光熔覆层中发现了Ti C-Ti B2复合相，基于Bramfitt二维错配度理论，揭示了颗粒状Ti C能以长杆状Ti B2为异质形核基底形核并长大，这种复合相结构可显著细化Ti C颗粒。另外，本文作者所在课题组还发现了Ti C-Ti B2、Ti2SC-Ti2Ni等复合结构相，如图5所示[92-93]。Li等[94]在Ti6Al4V合金表面成功制备了Ti C/Ti B/Ti N复合增强激光熔覆层，高熔点Ti C(3150℃）先于Ti N(2950℃）析出，并充当Ti N的异质形核基质，Ti N包裹Ti C生长使得未检测到明显的Ti C衍射峰。Wang等[95]在Ti-8Al-1Mo-1V合金表面制备了Ti C/Ti B复合增强激光熔覆层，熔覆层中碳化钛主要由共晶Ti C和少量过饱和析出的Ti C组成，其中共晶Ti C尺寸约为1～5μm，而过饱和析出的细小Ti C尺寸小于100 nm，这两种Ti C均依附β-Ti边界生长。Song等[96]使用纯Ni和B4C粉末在Ti6Al4V合金表面制备了Ti C/Ti B增强α-Ti/Ti2Ni基复合涂层，Ti C组织沿激光熔覆层厚度方向呈明显的梯度分布：熔覆层顶部为枝晶状的初生Ti Cp，随着距熔覆层顶部的距离增加，初生Ti Cp含量和尺寸逐渐减少，直至熔覆层中部的初生Ti Cp完全消失；熔覆层中部的增强相特征为等轴Ti C颗粒与Ti B形成的(Ti B-Ti C)e共晶组织；而结合区组织特征为针状Ti B和(Ti B-Ti C)e共晶组织。Liu等[97]在Ti6Al4V表面制备了Ti C/Ni Ti/Ni3Ti增强激光熔覆层，碳化钛主要呈微米级的颗粒状和少量花瓣状和片状。在靠近结合区约100μm范围内的碳化钛含量明显低于涂层其他区域，但作者并未针对这种现象做出进一步解释。此外，受熔池对流的影响，涂层中的部分碳化钛呈旋涡状分布。图5 复合结构相[92-93]
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4表面Ti2SC-Ti2Ni复合结构相的自润滑激光熔覆层组织与性能[J]. 张天刚,张倩,庄怀风,薛鹏,姚波,徐誉桐,李宝轩. 光学学报. 2020(11)
[2]Ti811表面Ni基激光熔覆层显微组织及摩擦磨损性能的研究[J]. 张天刚,肖海强,孙荣禄,姚波,张倩. 表面技术. 2019(12)
[3]电弧增材制造航空钛合金构件组织及力学性能研究现状[J]. 刘小军,陈伟,黄志江,陈玉华. 精密成形工程. 2019(03)
[4]钛合金表面激光熔覆Ti-Ni+TiN+MoS2/TiS自润滑复合涂层[J]. 高秋实,闫华,秦阳,张培磊,陈正飞,郭加龙,于治水. 材料研究学报. 2018(12)
[5]钛合金表面自润滑陶瓷涂层的组织及耐磨性能研究[J]. 张年龙,王波,张红霞,戴景杰. 表面技术. 2018(12)
[6]Ti3SiC2含量对激光熔覆自润滑涂层组织及性能的影响[J]. 李眉葭,孙荣禄,牛伟,周丹丹. 金属热处理. 2018(10)
[7]Ti811表面激光熔覆复合涂层的微观组织及摩擦磨损性能[J]. 刘亚楠,孙荣禄,牛伟,张天刚,谭金花. 中国激光. 2019(01)
[8]氧化物润滑材料的研究进展[J]. 王蕊,高东强,何乃如,王哲. 表面技术. 2017(09)
[9]钛合金表面激光熔覆Ti/Ni+Si3N4/ZrO2复合涂层组织与性能研究[J]. 余娟娟,张晓玉,马玲玲,李涵,邹龙江,张维平. 表面技术. 2016(04)
[10]钛合金在航空航天及武器装备领域的应用与发展[J]. 刘全明,张朝晖,刘世锋,杨海瑛. 钢铁研究学报. 2015(03)
硕士论文
[1]TC4表面激光诱导原位制备TiC/TiBx钛基复合涂层显微组织及性能的研究[D]. 任翠霞.东北大学 2011
本文编号：3383611
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