热处理对钛合金表面激光熔覆层组织和性能的影响研究

摘要

首先本文综述了热处理在激光熔覆涂层领域的应用研究现状。本文分别以Ni/WC、NiCrBSi/WC为熔覆材料，通过激光熔覆技术在钛合金Ti6Al4V表面制备了以WC、TiC为增强相，以金属间化合物为基的复合涂层。并对纯Ni/WC涂层进行不同保温时间的低温热处理，对NiCrBSi/WC涂层进行不同温度及不同冷却介质的高温处理。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等现代分析测试手段对不同熔覆涂层物相组成、组织形貌特点进行分表征；对不同熔覆层硬度、断裂韧性及摩擦磨损性能等力学性能进行综合分析研究，并重点分析研究了两种涂层物相组成形成机理，不同温度热处理过程中NiCrBSi/WC涂层组织演变规律及不同热处理工艺对熔覆层断裂韧性及摩擦磨损性能的影响。
　　研究结果表明，在钛合金基体上制备的纯Ni/WC熔覆层组织均匀致密且与基材结合良好。熔覆层组织主要由呈白色等轴状的WC颗粒、呈枝晶状规则排列并弥散分布的TiC增强相及α(Ti)，Ti2Ni和TiNi相组成的基底相组成。不同时间热处理对涂层显微组织变化不大；但涂层显微硬度有所降低，熔覆层平均硬度值从热处理前的782 HV0.1分别降低到热处理1h、2h后的710 HV0.1和687 HV0.1；涂层断裂韧性得以提高，涂层的平均断裂韧度从热处理前的2.77 MPa·m1/2分别增加到热处理1h、2h后的3.80 MPa·m1/2和4.43 MPa·m1/2。涂层磨损机制为磨粒磨损，热处理后涂磨损机制不变，磨粒磨损程度降低，热处理500℃×1 h后涂层耐磨损性能提高。
　　在钛合金基体上制备了高硬度的NiCrBSi/WC涂层。涂层组织主要包括WC相伴而生的(W,Ti)C、呈枝晶状排列的TiC颗粒相及由NiTi和Ni3Ti两种金属间化合物固溶体组成的基底相。重点分析了涂层在不同温度热处理过程中组织演变规律，经700℃热处理后，一些富含Ni和Ti的小颗粒相在Ni3Ti基底相上析出，形成颗粒层，随着温度的升高，颗粒层有从Ni3Ti向NiTi扩散的趋势。热处理后涂层硬度和断裂韧性均有提高。当温度升高至900℃时，Cr23C6第二相颗粒从NiTi金属间化合物固溶体中析出。涂层硬度900℃热处理后最大，平均硬度由热处理前的1142 HV0.1提高到1395 HV0.1。断裂韧性由热处理前的3.05提高到5.31 MPa·m1/2。NiCrBSi/WC涂层的磨损机理主要有磨粒磨损和剥层磨损，热处理后涂层两种磨损程度均有所降低，900℃热处理后磨损性能显著提高。
　　进一步分析研究了不同冷却介质的热处理对激光熔覆NiCrBSi/WC涂层的影响。水冷后涂层组织中Cr23C6析出相含量明显变少，尺寸也变小，主要分布于NiTi固溶体相边缘；推断Cr23C6析出相在900℃时析出，并在随后的冷却过程中逐步析出或长大。加热后进行水冷，冷却速率较大，会造成涂层脆性显著增加，导致涂层断裂韧性降低，易在摩擦磨损过程中出现裂纹及剥层现象。

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第一章 绪 论

1.1钛合金及其表面改性

1.2激光熔覆

1.3热处理

1.4热处理对激光熔覆层组织和性能影响国内外研究现状

1.5 本课题研究目的、内容及意义

第二章 实验内容

2.1试验材料

2.2试验流程

2.3试验过程

第三章 不同热处理时间对钛合金表面激光熔覆Ni/WC涂层组织和性能影响

3.1引言

3.2熔覆材料选择

3.3激光熔覆工艺参数

3.4热处理工艺

3.5激光熔覆Ni/WC层组织特点及不同热处理时间的影响

3.6不同热处理时间对Ni/WC激光熔覆层力学性能的影响

3.7本章小结

第四章 不同热处理温度对激光熔覆NiCrBSi/WC涂层组织和性能影响

4.1引言

4.2熔覆材料选择

4.3激光熔覆工艺参数

4.4热处理工艺

4.5激光熔覆NiCrBSi/WC层组织特点分析及不同热处理温度的影响

4.6不同热处理温度对激光熔覆NiCrBSi/WC涂层力学性能的影响

4.7本章小结

第五章 不同冷却介质对激光熔覆NiCrBSi/WC涂层组织和力学性能的影响

5.1引言

5.2熔覆材料选择

5.3激光熔覆工艺参数

5.4热处理工艺

5.5热处理不同冷却介质对激光熔覆NiCrBSi/WC层组织的影响

5.6热处理后不同冷却介质对熔覆层力学性能的影响

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢