耐磨性钛合金激光熔覆TiAl/陶瓷复合涂层组织结构和耐磨性

摘要：钛合金具有优异的物理化学性能,如高比强,高比模量及耐蚀性等,已被运用于航空航天、生物医药等领域。但钛合金耐磨性差,限制了其优异潜能的发挥。激光熔覆因其熔覆层与基体结合紧密、无污染等优点已成为钛合金表面改性技术的探讨热点之一。Ti-Al金属间化合物具有高比强、良好的抗氧化性等性能,被认为是航天航空领域最具进展前景的轻质材料。本课题针对在航空工业中具有进展前景的先进钛合金材料,采取激光熔覆技术,通过论述与试验相结合的策略,以Ti-Al金属间化合物+陶瓷硬质相(如TiC、TiB2、TiN等)作为钛合金表面激光熔覆层强化的突破口,获得与基体呈冶金结合、具有高耐磨性的Ti-Al金属间化合物+陶瓷硬质相激光熔覆层,并对熔覆层的组织结构和耐磨性进行探讨。本项探讨为激光熔覆技术在航空、国防和军事装备领域的运用提供了论述与试验依据,对我国航空事业的进展具有重要的战略作用。本试验探讨以在预置涂层中加入Ti-Al金属间化合物／陶瓷复合粉末,通过激光熔覆形成Ti-Al/陶瓷复合涂层和提升耐磨性为主线,通过对激光熔覆工艺参数的制约以及对不同元素组分配比的调整,优化Ti-6A1-4V钛合金表面制备Ti-Al/陶瓷复合涂层的工艺参数及粉末配比；分别探讨了在预置涂层中加入Cu、Y2O3-Al2O3、Y2O3部分稳定ZrO2(YPSZ)以及氮气环境中激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织结构、显微硬度及耐磨性的相关性。揭示Al203及稀土氧化物Y203对激光熔覆复合层中陶瓷相的原位形成机制及对基体的强化机制的影响。通过调整预置涂层中的粉末配比降低Ti-Al/陶瓷复合熔覆层的脆性,改善其耐磨性。本课题以激光熔覆层的磨损质量及磨损体积入手,对激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的磨损机制进行了探讨。系列探讨结果表明,激光熔覆历程中Al3Ti易于与以基体进入熔池的Ti发生化学反应生成Ti3Al,改善钛合金的耐磨性。Y203部分稳定ZrO2(YPSZ)的加入可减少激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层中裂纹产生几率,改善其强度、韧性及耐磨性。在氮气环境中,大量TiN可在激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层表层产生,进一步改善钛合金的耐磨性。激光熔覆中加入的Cu与Ti及Ti-Al在熔池中发生化学反应,生成Ti-Cu金属间化合物及Ti(CuAl)2,可显著改善熔覆层的组织结构与耐磨性。Cu的加入还推动了钛硼化合物在Al3Ti-C-TiB2激光熔覆层中生长。Ti(CuAl)2弥散分布于熔覆层中,有利于提升激光熔覆层的显微硬度与耐磨性。当Cu在预置涂层中含量超过13wt.%时,易造成熔覆层韧性不足,使大量裂纹在熔覆层中产生。部分Al203与TiB2在熔池中发生化学反应,生成Ti3Al、O2与B。Al2O3与TiB2之间的化学反应消耗了熔池中部分陶瓷相,提升了基体对熔覆层的稀释率,有利于未参加该反应的陶瓷相熔化并析出,改善熔覆层的组织结构与耐磨性。加入1wt.%Y2O3可显著改善Al2O3-TiB2强化Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织结构与耐磨性。Y203粒子易在熔覆层中发生聚集,阻碍Al203及TiB2生长。加入Y203使晶界得到强化,组织均匀化；但加入到3wt.%Y2O3以上时熔覆层多处产生微裂纹,且产生大量未熔TiB2块状物。在Ti-6A1-4V钛合金表面激光熔覆Al3Ti+TiB2/(Ni包WC)混合粉末可生成Ti-Al/陶瓷复合涂层。X射线衍射(XRD)浅析表明,由于大量M6C(Ni2W4C)脆性相的产生以及复合涂层组织粗化,显微硬度仅较基体提升2-3倍,耐磨性提升受限。在预置粉末中加入10wt.%Al2O3-1.5wt.%Y2O3可细化激光复合涂层的组织并显著降低M6C含量,其激光熔覆层的显微硬度为1300-1450HV0.2,耐磨性大幅度提升。本课题将具有轻质和优良性能的Ti-Al金属间化合物与陶瓷激光熔覆于钛合金表面,形成具有优异性能的金属间化合物/陶瓷复合涂层。激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层可运用于修复各种失效零件,例如在航空发动机叶片修复中有很好的运用前景。探讨激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的磨损机制与影响因素,揭示其显微组织、相结构和耐磨性的内在规律性,为在钛合金表面制备出高性能的金属陶瓷复合涂层提供了试验依据与论述基础。关键词：钛合金论文Ti-Al金属间化合物论文激光熔覆论文陶瓷复合涂层论文耐磨性论文

中文摘要11-13

ABSTRACT13-16

第1章 绪论16-31

1.1 选题作用及背景16-17

1.2 钛合金激光熔覆的探讨近况17-26

1.2.1 不同功能的钛合金激光熔覆层17-21

1.2.2 钛合金激光熔覆的材料进展21-24

1.2.3 钛合金激光熔覆的能量传递24-26

1.3 钛合金激光熔覆在航空工业的运用前景26-29

1.3.1 钛合金激光熔覆在航空零部件制造中的运用26-27

1.3.2 钛合金激光熔覆在航空零部件修复中的运用27-28

1.3.3 钛合金激光熔覆在航空材料表面改性中的运用28-29

1.4 本课题探讨的主要内容29-31

第2章 试验材料及探讨策略31-38

2.1 试验材料31-32

2.1.1 试验母材31

2.1.2 熔覆合金粉末31-32

2.2 激光熔覆设备及工艺32-34

2.3 探讨策略34-37

2.3.1 试样制备34

2.3.2 激光熔覆层组织与结构试验测定34-36

2.3.3 激光熔覆层显微硬度及耐磨性测定36-37

2.4 本章小结37-38

第3章 激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层设计与组织浅析38-56

3.1 引言38

3.2 Ti-Al/陶瓷复合涂层的设计38-40

3.3 Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织特点40-45

3.4 激光熔覆层温度场的分布45-47

3.5 工艺参数对Ti-Al/陶瓷复合涂层组织的影响47-55

3.5.1 三个重要的工艺参数48-49

3.5.2 激光比能对熔覆层组织与稀释率的影响49-53

3.5.3 搭接量对熔覆层组织的影响53-55

3.6 本章小结55-56

第4章 激光熔覆Ti_3Al/陶瓷复合涂层组织结构与性能56-74

4.1 引言56

4.2 YPSZ改性Ti_3Al/陶瓷复合涂层的组织结构与性能56-63

4.2.1 复合涂层的相组成56-60

4.2.2 复合涂层的显微硬度与耐磨性60-63

4.3 氮气环境中Ti_3Al/陶瓷复合涂层的组织结构与耐磨性63-72

4.3.1 Ti_3Al/陶瓷复合涂层的宏观组织63-65

4.3.2 Ti_3Al/陶瓷复合涂层的微观组织结构65-69

4.3.3 Ti_3Al/陶瓷复合涂层的显微硬度与耐磨性69-72

4.4 本章小结72-74

第5章 Cu对Ti-Al/陶瓷复合涂层组织性能的影响74-96

5.1 引言74

5.2 Cu强化Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织结构74-83

5.2.1 Cu对复合涂层相组成的影响74-77

5.2.2 Cu对复合涂层组织生长形态的影响77-83

5.3 C和Y_2O_3对Cu强化Ti-Al/陶瓷复合涂层组织结构的影响83-89

5.3.1 C对复合涂层组织结构的影响83-84

5.3.2 Y_2O_3对复合涂层组织结构的影响84-88

5.3.3 Cu对Y_2O_3改性复合涂层组织结构的影响88-89

5.4 Cu强化Ti-Al/陶瓷复合涂层的显微硬度及耐磨性89-95

5.4.1 Ti-Al/陶瓷复合涂层的显微硬度89-91

5.4.2 Ti-Al/陶瓷复合涂层的耐磨性91-95

5.5 本章小结95-96

第6章 Al_2O_3和Y_2O_3对Ti-Al/陶瓷复合涂层组织性能的影响96-121

6.1 引言96

6.2 Al_2O_3对TiC-TiB_2强化复合涂层组织性能的影响96-103

6.2.1 TiC-TiB_2强化复合涂层的组织结构96-101

6.2.2 TiC-TiB_2强化复合涂层的显微硬度101-103

6.3 Y_2O_3对Al_2O_3强化Ti-Al/陶瓷复合涂层组织性能的影响103-111

6.3.1 Y_2O_3对复合涂层组织结构的影响103-108

6.3.2 Y_2O_3对复合涂层耐磨性的影响108-111

6.4 Al_2O_3-Y_2O_3对TiB_2-WC强化Ti-Al/陶瓷复合涂层组织性能的影响111-120

6.4.1 Al_2O_3-Y_2O_3对复合涂层组织的影响111-118

6.4.2 Al_2O_3-Y_2O_3对复合涂层的显微硬度及耐磨性的影响118-120

6.5 本章小结120-121

第7章 结论121-123

本论文的主要革新点123-124