钛合金表面激光熔覆Ti-Ni基复合涂层的微观组织与耐磨性

摘要

钛及钛合金以其密度小、比强度高、耐蚀性好等一系列优异的性能特点，被广泛地应用于航空、航海、汽车和医疗等领域。但钛合金存在硬度低、摩擦系数高、耐磨性差等缺点，限制了其使用范围。激光熔覆技术具有热输入小、冷速快、耗材少等特点，因此采用激光熔覆技术在钛合金表面制备高性能涂层可有效地改善钛合金表面性能，具有重要的研究价值。
　　本文以Ti、Ni、AlN、Y按不同比例配制的混合粉末作为熔覆材料，选择合理的熔覆方法和工艺参数，在钛合金表面制备出Ti-Ni基复合涂层。利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜以及电子探针显微镜观察熔覆层的相结构和显微组织，并研究了涂层的硬度和耐磨性。
　　采用不同功率激光熔覆50Ti-40Ni-10AlN混合粉末，结果表明，Ti、Ni、AlN受高温熔化之后，反应生成TiNi、Ti2Ni、Ti3Al和TiN。当激光功率为900 W时，熔覆层硬度最高，可达到900 HV，为钛合金基体的3.0倍，耐磨性可达到基体的9.3倍。熔覆层的磨损机制为滑动接触疲劳磨损，伴随着轻微的粘着和磨粒磨损。
　　通过选定的激光功率，在钛合金表面激光熔覆不同质量百分比的Ti、Ni、AlN，研究表明，在选定的成分范围内，Ti与Ni的质量百分比对熔覆层的物相组成影响并不显著，但对熔覆层中部组织形貌影响较大。当Ti、Ni、AlN的质量百分比为56∶34∶10时，熔覆层的组织较均匀、无宏观裂纹，且综合性能良好。其熔覆层表层的硬度值为1000 HV，约为基体的3.3倍，耐磨性约为基体的22.3倍。
　　为了改善熔覆层的组织不均匀及裂纹等缺陷，在56Ti-34Ni-10AlN基础上加入不同质量百分比的稀土元素Y，结果表明，当Y含量达到1.5 wt.%时，熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度、稀释率和耐磨性均达到最优状态，并且表面无孔洞、裂纹等缺陷。其中，显微硬度可达到950 HV，为基体的3.0倍左右，且在结合区硬度缓慢下降，耐磨性可达到基体的60.4倍。
　　利用不同的熔覆方式、搭接率、两道和三道激光熔覆工艺，结果表明，采用“龙摆尾”方式进行两道激光熔覆时，熔覆层的表面质量较差。对于采用“龙调头”方式形成的熔覆层，当搭接率为40%时，熔覆层的表面质量良好，耐磨性最优，为基体的121.9倍，并且熔覆层横截面横向显微硬度最高，平均硬度达到840 HV。采用三道激光熔覆，当搭接率为40%时，按顺序激光熔覆的涂层横向显微硬度较高，可达到950 HV。

目录

声明

1 绪论

1.1 钛与钛合金

1.2 激光熔覆技术

1.3 钛合金表面激光熔覆Ti-Ni基复合涂层进展

1.4 本文的主要研究内容与意义

2 实验材料和方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

3 不同功率对50Ti-40Ni-10AlN复合涂层组织及性能的影响

3.1 熔覆材料与工艺参数

3.2 熔覆层组织形貌

3.3 熔覆层力学性能

3.4 本章小结

4 不同质量比的Ti、Ni对Ti-Ni基复合涂层组织及性能的影响

4.1 熔覆材料与工艺参数

4.2 熔覆层组织形貌

4.3 力学性能

4.4 本章小结

5 不同含量的Y对涂层组织及性能的影响

5.1 熔覆材料与工艺参数

5.2 熔覆层组织形貌

5.3 力学性能

5.4 本章小结

6 多道熔覆对Ti-Ni基复合涂层微观组织及性能的影响

6.1 熔覆材料与工艺参数

6.2 两道激光熔覆Ti-Ni基涂层表面质量分析

6.3 三道激光熔覆Ti-Ni基涂层的表面质量

6.4 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