Ti6A14V钛合金表面激光熔覆镍基复合涂层及增强机理研究

发布时间：2017-04-21 06:45

  本文关键词：Ti6A14V钛合金表面激光熔覆镍基复合涂层及增强机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钛合金因比强度高,耐蚀性好等优点在工业中受到越来越多的重视,然而导热性差,硬度低、耐磨性差等缺点制约了钛合金在工程领域的推广应用。利用表面工程技术提高钛合金的表面强硬度和耐磨性,已成为国内外研究的热点。本文以镍粉和石墨粉的混合粉为原料粉,应用激光熔覆技术在Ti6A14V钛合金表面制备镍基耐磨涂层,进一步应用超景深金相显微镜、电子扫描显微镜、能谱分析仪、X射线衍射分析仪、显微硬度测试计和摩擦磨损试验机等设备表征了涂层的微观组织和性能。主要研究内容和结论如下：(1)在Ti6A14V钛合金表面预置Ni+C混合粉层,利用激光熔覆制备出TiC增强镍基复合涂层。涂层的增强相是TiC颗粒相,涂层的基体相是Ni3Ti相和Ti2Ni相。涂层横截面的微观分析表明,预置粉层中的碳原子和熔化基底中的钛原子在激光熔池中经对流传质均匀混合后,合成了TiC增强相。从熔道顶部到底部,TiC相呈现含量增加、颗粒细化和树枝晶过渡为胞状晶的特征。TiC相的形态和分布与激光熔道横截面的显微硬度分布特征相吻合。(2)试验研究发现,激光功率和扫描速度对熔覆熔道的宽度、深度和质量具有关键性作用。随着激光功率的增加,熔道宽度和深度增大,涂层表面显微硬度升高。激光功率不变时,激光束扫描速度决定了激光熔池的能量输入和寿命。通过大量试验获得了激光熔覆的优化工艺参数：直径为4mm的CO2激光光斑,扫描速度为5mm/s,激光功率为2.4kW。进一步研究表明,TiC由树枝状过渡为胞状颗粒依赖于预置粉中的含碳量。(3)激光熔池的冷却过程分析表明,在凝固过程中,TiC首先析出,其后Ni3Ti析出,进而生成Ni3Ti和NiTi共晶。由于NiTi不能稳定存在,随着温度下降,NiTi又分解为Ti2Ni和Ni3Ti。(4)TiC颗粒相在激光熔道横截面的组合花样分析表明,激光熔池的Marangoni对流是激光熔池成分均匀化的关键因素,且对TiC的生长形态和分布存在重要影响,熔池前端的微观组织和成分分布也证明了这一点。(5)基于fluent软件的激光熔池数值模拟结果表明：0.2秒之后激光熔池的最大温度和最大速度趋于稳定,熔池几何尺寸增大速度显著下降。熔池的最高温度位于熔池表面中心,最大速度位于熔池表面近边缘处。数值模拟激光熔池宽度明显大于实际试验熔道宽度,主要源于实际激光熔池表面非平面特征的影响。(6)多道搭接涂层的搭接区存在TiC相颗粒细化。依据搭接区TiC颗粒的分布形态,可辨认按热搭接方式组装熔道的搭接次序。搭接涂层与基底的结合线在搭接区形成峰状凸起,凸起峰的夹角随搭接率的增大而增大。(7)原位自生TiC增强镍基复合涂层的“球-盘”式干滑动摩擦磨损实验结果表明,涂层主要表现为粘着磨损和磨料磨损,而Ti6A14V钛合金基体主要表现为犁沟效应强烈的磨料磨损。预置粉料的含碳量增加,涂层在摩擦磨损中的失重质量下降,耐磨性提高。
【关键词】：激光熔覆 涂层 TiC 摩擦磨损 钛合金
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 第一章 绪论12-33
• 1.1 课题背景及研究意义12-13
• 1.2 激光表面强化技术研究现状13-23
• 1.2.1 激光与材料相互作用的基础理论13-16
• 1.2.2 激光表面强化技术的特点16-18
• 1.2.3 激光表面强化技术18-23
• 1.3 钛合金及其复合材料23-28
• 1.3.1 钛合金的特点23
• 1.3.2 钛基复合材料的基体与增强体23-26
• 1.3.3 钛基复合材料的力学性能26-28
• 1.4 原位自生碳化钛增强钛基复合材料的研究28-32
• 1.4.1 原位合成增强体的特点28-29
• 1.4.2 原位自生碳化钛的研究现状29-32
• 1.5 本文主要研究内容32-33
• 第二章 钛合金表面激光熔覆镍基复合涂层制备33-51
• 2.1 前言33
• 2.2 试验原材料及试验设备33-36
• 2.2.1 钛合金基体33
• 2.2.2 粉体材料33-35
• 2.2.3 激光试验设备35
• 2.2.4 显微组织分析仪器35
• 2.2.5 化学成分分析仪器35-36
• 2.2.6 物相结构分析仪器36
• 2.3 试验过程36-40
• 2.3.1 粉料的配置、活化与混合36-39
• 2.3.2 粉层铺设39
• 2.3.3 激光熔覆试验39
• 2.3.4 样品制备39-40
• 2.4 激光熔覆涂层的相分析40-41
• 2.5 激光熔覆涂层的成分分析41-42
• 2.6 激光熔覆涂层横截面微观组织分析42-47
• 2.7 激光熔覆涂层横截面显微硬度分析47-49
• 本章小结49-51
• 第三章 工艺参数对TiC增强镍基涂层形态和微观组织的影响51-72
• 3.1 激光表面加工的工艺参数51
• 3.2 激光工艺参数对涂层组织和性能的影响51-59
• 3.2.1 激光工艺对涂层宏观质量的影响51-55
• 3.2.2 激光工艺参数对涂层横截面几何特征的影响55-59
• 3.3 含碳量对涂层组织和性能的影响59-71
• 3.3.1 含碳量对涂层微观组织的影响60-69
• 3.3.2 含碳量对涂层显微硬度的影响69-71
• 3.4 本章小结71-72
• 第四章 激光熔覆镍基复合涂层的凝固过程分析72-92
• 4.1 原位自生TiC增强涂层的凝固过程分析72-76
• 4.1.1 TiC原位自生过程的热力学分析72-73
• 4.1.2 激光熔覆原位自生TiC增强涂层的凝固过程分析73-76
• 4.2 激光熔池对原位自生TiC增强涂层凝固的影响76-90
• 4.2.1 熔池对流对涂层横截面几何形状的影响77-79
• 4.2.2 激光熔池样品的制备79
• 4.2.3 激光熔池对流对微观组织的影响79-90
• 4.3 本章小结90-92
• 第五章 激光熔池镍基复合涂层温度场和流场的模拟分析92-102
• 5.1 引言92-93
• 5.2 激光熔覆的物理模型93-94
• 5.3 熔覆材料的热物性参数94
• 5.4 控制方程和边界条件94-96
• 5.4.1 激光熔池模拟控制方程94-95
• 5.4.2 激光熔池模拟边界条件95-96
• 5.5 激光熔覆熔池流动数值模拟结果分析96-100
• 5.6 本章小结100-102
• 第六章 多道搭接镍基复合涂层及耐磨性研究102-122
• 6.1 引言102-103
• 6.2 多道搭接原位自生TiC增强Ni基复合涂层的显微组织研究103-110
• 6.2.1 多道搭接涂层的表面形态103
• 6.2.2 多道搭接涂层的截面形态103-108
• 6.2.3 基于熔道相交的搭接率几何模型108-110
• 6.3 多道搭接原位自生TiC增强Ni基复合涂层的显微硬度分析110-113
• 6.4 多道搭接原位自生TiC增强Ni基复合涂层的耐磨性测试113-114
• 6.5 多道搭接涂层的摩擦磨损特征114-118
• 6.6 多道搭接涂层的摩擦磨损机理118-121
• 6.7 本章小结121-122
• 第七章 结论与展望122-124
• 7.1 结论122-123
• 7.2 创新点123
• 7.3 展望123-124
• 参考文献124-131
• 致谢131-132
• 在读期间发表的论文132

【参考文献】

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1 赵海玲;激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟[D];燕山大学;2013年

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本文编号：319761