激光合金化制备TC4钛合金抗高温氧化及耐磨复合涂层性能研究

摘要

钛合金因其质轻高强、屈强比大、耐蚀及耐热性良好等众多优点，在航空航天、石油化工、军事工业、医疗器械、体育竞技等领域被广泛应用。但其摩擦系数大、易粘着、耐磨性能差、高温(700℃)条件下氧化严重等缺点，不能满足航空航天上发动机涡轮叶片、活塞环、阀门等对材料性能的要求。本文采用激光合金化技术在钛合金表面制备合金化涂层，以提高钛合金的抗高温氧化性能及耐磨性能。
　　本文采用Ni60A：TiN：Al：Si=1:3:4:2（质量比）的粉末，利用500W YAG激光器在TC4钛合金表面制备合金化涂层，探究激光工艺参数对合金化涂层的形貌及涂层横截面的宽度及深度的影响。并对优化后的工艺参数制备的合金化涂层进行以下探究：
　　（1）采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪探究了合金化涂层的显微组织结构及物相表征，并采用维氏硬度计测定了涂层横截面的显微硬度值。结果表明，涂层与TC4钛合金呈现良好的冶金结合。涂层中主要含有Ti、SiC、TiN、TiB、Ti5Si3、Al3Ti等物相结构，其中TiN、TiB、Ti5Si3具有较高的强度及硬度，能够提高涂层表面的硬度值，可达685HV0.5，约是TC4钛合金（343HV0.5）的2倍。
　　（2）分别在650℃、750℃、850℃温度下，对合金化涂层及TC4钛合金试样进行氧化试验。绘制氧化增重曲线及氧化增重速率曲线，并采用SEM、EDS、XRD分析了750℃高温下的氧化层的显微形貌、元素成分及物相，探讨合金化涂层的氧化性能，并在此基础上阐述了涂层的氧化机理。结果表明，750℃高温下，TC4钛合金氧化膜的厚度为150μm，是合金化涂层27μm的5.6倍，且后者氧化膜成分以连续致密的Al2O3为主，并伴随少量的TiO2、TiO、SiO2，有效阻止了O原子的扩散，表现出良好的抗高温氧化性能。
　　（3）对TC4钛合金及合金化涂层在不同载荷（3N、6N、9N）、不同温度（25℃、350℃、700℃）下进行摩擦磨损试验，通过对磨擦痕迹进行分析，研究了载荷和温度对磨损性能的影响。结果表明，室温下合金化涂层的磨损量、磨痕宽度与深度、磨损体积与比磨损率均小于TC4钛合金，且磨痕表面犁沟较浅、磨屑较少，表明其耐磨性较好。而700℃时，合金化涂层的磨损较TC4钛合金严重，高温耐磨性能不理想。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外钛合金抗高温氧化及耐磨性能研究现状

1.3激光表面合金化技术

1.4研究内容及技术路线

2 试验材料及试验方法

2.1试验材料

2.2实验设备

2.3工艺参数探究

2.4激光合金化涂层的性能检测分析

2.5本章小结

3激光合金化涂层的组织结构和硬度分析

3.1激光合金化工艺对涂层形貌的影响

3.2合金化涂层的显微组织分析

3.3激光合金化涂层的物相表征及成分分析

3.4合金化涂层的显微硬度分析

3.5本章小结

4激光合金化涂层的抗高温氧化性能研究

4.1金属及合金的高温氧化

4.2高温氧化试验

4.3高温氧化试验结果及分析

4.4本章小结

5 激光合金化涂层的耐磨性能研究

5.1摩擦磨损实验条件

5.2载荷变化对磨损性能的影响

5.3温度变化对磨损性能的影响

5.4本章小结

6结论

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的学术论文