钛合金表面激光熔覆原位合成Ti3Al基陶瓷复合涂层改性研究

摘要

钛及钛合金是性能非常优异的轻质结构材料，被广泛用于航空航天、石油化工、汽车工业、生物医学工程等领域。但是钛合金耐磨性差和硬度低的不足限制了它的使用范围，特别是在磨损结构件中的应用。采用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆金属陶瓷混合粉末可以得到复合涂层，这种复合涂层既有金属涂层韧性好的特点，又有陶瓷涂层耐磨损、耐腐蚀的特点，可以提高钛合金材料的表面性能，因而具有很重要的应用价值。 本文以TC21钛合金为基体材料，选取Ti、Al、BN、CeO2粉末作为熔覆材料，采用激光熔覆技术在该合金表面原位合成制备Ti3Al基复合涂层。并利用X射线衍射仪、扫描电镜、电子探针等检测仪器对熔覆层组织结构进行研究分析；利用维氏硬度计来检测熔覆层横截面的显微硬度分布；利用CFT-I型磨损试验装置检测基体和熔覆层的耐磨性。 采用激光熔覆技术在钛合金表面制备Ti3Al基复合涂层，实验结果表明：Ti、Al、BN的混合粉末在激光的作用下原位生成了Ti3Al、TiB、TiB2、TiN。原位合成的细针状TiB、块状或棒状TiB2及树枝状TiN均匀分布在灰黑色的Ti3Al基体上；随着BN添加量的增加，原位合成的陶瓷硬质相增多，复合涂层的硬度和耐磨性越高。其中添加8 wt%BN涂层的硬度和耐磨性最优异，熔覆层表层的最大硬度值为996 HV，约为基体的2.9倍，耐磨性约为基体的7倍。 为改善复合涂层质量，消除气孔缺陷，在复合涂层中添加不同质量分数的CeO2，实验结果表明：CeO2的加入使得熔覆层的组织中出现了弥散分布的CeO2白色小颗粒；适量CeO2的加入细化了晶粒，使组织更均匀，起到了细晶强化和弥散强化的作用；当CeO2的含量为2 wt%时，涂层表面无气孔和裂纹，组织细小均匀致密，显微硬度在涂层中平稳分布，最高达到938 HV，约为基体硬度的2.7倍；耐磨性能约为基体的8.8倍，约为未添加CeO2涂层的1.7倍。添加过多或过少的CeO2都会降低涂层质量，所以CeO2的添加量要适当。 为进一步改善复合涂层的性能，对制备的复合涂层进行激光重熔处理，实验结果表明：激光重熔处理可提高涂层的平整度，缓解热应力，在适当的重熔工艺下可消除气孔和裂纹等缺陷；复合涂层经激光重熔处理后组织变得更加均匀致密，晶粒得到细化。激光重熔后涂层的最高硬度为851.3 HV，略高于熔覆层的硬度，为钛合金基体的2.5倍；耐磨性约为激光熔覆层的1.2倍，约为钛合金基体的3.7倍。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 钛合金简介及其表面改性

1.1.1 钛及钛合金的简介

1.1.2 钛及钛合金的应用

1.1.3 钛合金应用的局限性

1.1.4 钛合金的表面改性

1.2 激光熔覆技术

1.2.1 激光熔覆技术原理和特点

1.2.2 激光熔覆工艺参数

1.2.3 激光熔覆材料

1.2.4 激光熔覆技术的应用领域

1.3 钛合金表面激光熔覆Ti-Al基复合涂层进展

1.3.1 钛合金表面激光熔覆Ti-Al基复合涂层研究现状

1.3.2 钛合金表面激光熔覆Ti-Al基复合涂层存在的问题

1.3.3 钛合金表面激光熔覆Ti-Al基复合涂层的前景展望

1.4 本论文研究的主要内容和意义

2 实验条件和方法

2.1 实验条件

2.1.1 实验设备

2.1.2 基体材料

2.1.3 熔覆材料

2.2 实验方法

2.2.1 显微组织分析

2.2.2 熔覆层硬度测试

2.2.3 熔覆层摩擦磨损测试

3 钛合金表面激光原位合成TiBx-TiN/Ti3Al复合涂层的研究

3.1 引言

3.2 实验材料及工艺参数

3.3 熔覆层组织形貌研究

3.3.1 物相分析

3.3.2 显微组织分析

3.4 熔覆层的性能分析

3.4.1 显微硬度分析

3.4.2 耐磨性分析

3.5 本章小结

4 CeO2对复合涂层组织和性能的影响

4.1 引言

4.2 实验材料及工艺参数

4.3 熔覆层组织形貌研究

4.3.1 物相分析

4.3.2 显微组织分析

4.4 熔覆层的性能分析

4.4.1 显微硬度分析

4.4.2 耐磨性分析

4.5 本章小结

5 激光重熔对复合涂层组织及性能的影响

5.1 引言

5.2 实验材料及工艺参数

5.3 重熔工艺条件的确定

5.4 熔覆层组织形貌研究

5.4.1 物相分析

5.4.2 显微组织分析

5.5 熔覆层的性能分析

5.5.1 显微硬度分析

5.5.2 耐磨性分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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