激光熔注单晶颗粒增强WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层的界面反应机理

摘要

在Ti-6Al-4V表面制备复合材料层能够在其良好性能不被破坏的前提下，明显改善其表面性能，具有重要的理论意义和广阔的应用背景。但是，增强颗粒熔化和复合材料层开裂等问题难以解决。控制成分梯度变化是解决复合材料层开裂的最有效方法之一。目前，通过引入过渡层的方式可以实现梯度复合材料层的制备，能够在一定程度改善复合材料层的开裂问题，但无法解决增强颗粒的熔化问题，并且制备工艺过于复杂。
　　本文针对上述问题，采用激光熔注技术，通过向激光熔池直接注入单晶WC颗粒的方式，在不采用过渡层的情况下，实现了WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层的制备。在激光熔注工艺特性研究的基础上，研究了梯度复合材料层的形成机制、激光熔注过程熔池的复杂结晶行为、梯度复合材料层的微观断裂行为和WCp/Ti界面的反应机制。
　　通过系统工艺实验，获得了WCp/Ti-6Al-4V材料体系最佳激光熔注工艺范围，研究了工艺参数对复合材料层宏观成形、WC颗粒分布与体积分数的影响。通过WC颗粒注入速度的计算与熔池流场、温度场的数值模拟，分析了熔池粘度、Marangoni对流、熔池凝固前沿等因素对WC颗粒分布的影响，阐明了激光熔注过程梯度复合材料层的形成机理。证明熔池凝固前沿是决定WC颗粒分布的关键因素，梯度复合材料层的形成是以熔池凝固前沿向前推移不断将WC颗粒“冻结”实现的，熔池粘度和Marangoni流对WC颗粒分布的影响微弱。
　　通过XRD衍射和SEM、TEM电子显微研究确定了复合材料层物相组成，描述了复合材料层的微观组织特征，并实现了对复合材料层各物相的精确鉴定。基于W-C、Ti-C、Ti-W二元系和Ti-W-C三元系平衡凝固研究，分析了激光熔注过程快速凝固条件下熔池的复杂结晶行为。发现Ti基体中的元素分布、WC颗粒体积分数和TiC枝晶含量均呈现出梯度分布的特征。通过控制WC颗粒由熔池尾部注入，实现了对反应产物数量的有效控制，在WC颗粒周围获得了很薄的规则胞状反应层结构。并首次在WCp/Ti界面结合区，除了W2C层和TiC层外又发现了一层厚度约为200nm的连续纳米W层。
　　在常规力学性能分析的基础上，采用SEM原位拉伸试验，观察了复合材料层在拉应力作用下裂纹形成、扩展过程，阐明了单晶颗粒增强复合材料的断裂机理。复合材料层裂纹主要在WC颗粒内部和WC/W2C界面形成。裂纹主要沿着基体中TiC枝晶扩展，并且沿着WC颗粒密度最大的方向断裂。致密胞状界面反应层的形成大大提高了界面应力传播效率，加上单晶的高承载力，使得单晶WC颗粒增强复合材料层的抗拉强度有明显提高，比多晶WC颗粒增强复合材料层提高了18％。
　　在热力学分析的基础上，借助热模拟试验，研究了WCp/Ti界面反应机理，并根据W2C层发生的孪生变形现象，合理解释了固态相变条件下W2C与母相WC不形成共格界面的原因，澄清了WCp/Ti界面反应存在的争议问题。通过快速、缓慢凝固条件下WCp/Ti界面反应行为的对比研究，证实了快速凝固条件下形成的反应层结构具有抑制界面反应的作用。结果表明，W2C层是固相WC与液态Ti反应生成的，W2C内部发生的孪生变形，破坏了WC/W2C共格界面，在单晶W2C层形成了W2C孪晶。在界面反应过程中形成的致密TiC层能够能够将WC颗粒和与熔池隔离，控制WC颗粒分解，可以抑制界面反应的进行。

目录

激光熔注单晶颗粒增强WCp/Ti-6Al-4V 梯度复合材料层的界面反应机理

INTERFACIAL REACTION OF SINGLE CRYSTALPARTICULATE REINFORCED WCP/Ti-6Al-4VGRADED COMPOSITES COATING PRODUCED BYLASER MELT INJECTION

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题意义

1.2 金属基复合材料层制备技术研究进展

1.2.1 热喷涂技术

1.2.2 堆焊技术

1.2.3 激光熔覆技术

1.2.4 激光熔注技术

1.3 Ti-6Al-4V表面激光熔注研究进展

1.3.1 激光熔注工艺

1.3.2 增强颗粒与基体的界面反应

1.3.3 复合材料层断裂行为

1.3.4 存在主要问题

1.4 课题主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备与工艺

2.2.1 试验设备

2.2.2 激光熔注工艺

2.3 组织结构分析方法

2.3.1 X射线物相结构分析

2.3.2 金相试样的制备及观察

2.3.3 透射电镜（TEM）试样的制备及观察

2.4 性能分析

2.4.1 显微硬度测量

2.4.2 纳米压痕测量

2.4.3 抗拉强度测试

2.4.4 原位拉伸试验

第3章 激光熔注梯度复合材料层的工艺研究

3.1 引言

3.2 增强颗粒的选择

3.3 激光熔注工艺

3.3.1 激光熔注过程

3.3.2 激光熔注工艺特性

3.3.3 WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层的制备

3.4 梯度复合材料层的形成机制

3.4.1 WC颗粒注入过程

3.4.2 WC颗粒注入速度

3.4.3 熔池粘度

3.4.4 Marangoni流

3.4.5 熔池凝固前沿

3.5 本章小结

第4章 梯度复合材料层物相分析及熔池结晶行为

4.1 引言

4.2 复合材料层物相分析

4.2.1 物相组成

4.2.2 微观组织特征

4.2.3 物相确定

4.3 复合材料层熔池结晶行为

4.3.1 TiC的形成

4.3.2 β相的形成

4.3.3 共晶组织的形成

4.3.4 反应层的形成

4.4 本章小结

第5章 梯度复合材料层的微观断裂行为与断裂机理

5.1 引言

5.2 硬度

5.2.1 显微硬度

5.2.2 纳米压痕

5.3 复合材料层抗拉强度

5.4 复合材料层原位（In situ）拉伸实验

5.4.1 裂纹形成

5.4.2 裂纹扩展

5.4.3 断口分析

5.5 复合材料层断裂机制

5.5.1 WC颗粒受力分析

5.5.2 基体增强效应

5.5.3 WC颗粒临界断裂强度

5.6 本章小结

第6章 快速凝固条件下WCp/Ti界面的反应机理

6.1 引言

6.2 WCp/Ti界面反应存在的争议问题

6.2.1 W2C层的形成条件

6.2.2 连续薄W层的存在

6.3 WCp/Ti界面反应

6.3.1 Ti-W-C体系热力学描述

6.3.2 界面反应

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历