钛合金表面激光熔覆镍基复合涂层组织性能研究

摘要

原位生成法制备的复合涂层，其增强相具有热力学稳定、分布均匀、界面洁净、与基体结合良好等优点。为了在钛合金表面获得良好的耐磨涂层，本文进行了激光熔覆Ni-Cr-Ti-C、Ni-Cr-Si、Nb-Ti-Si等合金粉末实验。利用XRD、SEM、EDS和EMPA等分析手段对激光熔覆层的微观组织进行了分析：在HX-1型显微硬度计测量涂层微区组织的显微硬度值，在LIMT-2型多功能摩擦磨损测试仪上进行干滑动摩擦磨损实验。 激光熔覆Ni-Cr-Ti-C复合涂层试验表明：当激光比能为12.5 KJ/cm<'2>时，获得的激光熔覆层表面连续均匀，内部无裂纹和气孔，与TC4基体实现良好冶金结合。在优化激光工艺的条件下，对不同成分配制的原位析出Ni-Cr-Ti-C复合涂层进行激光熔覆实验。结果表明：复合涂层主要由β-Ti、γ-Ni固溶体及分布于晶间的Ti/TiC或Ti/Cr<,7>C<,3>共晶组成：晶内为贫Ni、C的β-Ti固溶体组织，晶间为富Ti、C的Ti/TiC和Ti/Cr<,7>C<,3>共晶组织；随着复合涂层成分的变化，激光熔覆原位合成物量发生相应的变化，涂层熔区内晶体生长形态从网络状晶向树枝晶、等轴晶过渡。对涂层机械力学性能的分析表明：涂层显微硬度值较基体有显著提高，从表面到基体呈平稳过渡的梯度分布，熔覆质量良好试样的显微硬度受涂层成份影响不大；涂层强化机制主要有细晶强化、固溶强化、硬质相强化、等；熔区组织较基体显著细化；由于多种强化机制的共同作用，显著地提高了熔覆层的硬度，使熔覆层具有极高的耐磨性能。 激光熔覆Ni-Cr-Si复合涂层试验表明：复合涂层中以Ti<,5>Si<,3>和Cr<,3>Si为主的颗粒增强相弥散分布在β-Ti和γ-Ni两相固溶体中；涂层的显微硬度较基体Ti-5621s有显著的提高。复合涂层不仅具有较高的耐磨性能，而且具有较低的摩擦系数，明显的改善了Ti-5621s合金表面的摩擦磨损性能。涂层中的磨损机制主要为磨粒磨损及其引起的剥层，基体中除此之外还有粘着磨损。 激光熔覆Nb-Ti-Si复合涂层试验表明：复合涂层的宏观质量良好，与TC4基体有良好的冶金结合，无裂纹，但有少量气孔。复合涂层内部主要分布的是Nb和Ti形成的连续固溶体(Nb，Ti)<,ss>,树枝间则以Nb<,3>Si和Ti<,5>Si<,3>金属间化合物硬质相弥散的分布在上述固溶体中形成共晶组织。涂层的硬度为HV960～1000，比基体钛合金(HV330～340)提高了近3倍。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2激光熔覆技术

1.2.1熔覆材料的设计

1.2.2熔覆材料的引入方法

1.2.3激光熔覆的工艺参数

1.3熔覆层质量的控制

1.3.1氧化与烧损

1.3.2气孔

1.3.3表面粗糙度

1.3.4裂纹

1.4钛合金表面激光熔覆国内外研究现状

1.4.1耐磨涂层

1.4.2生物涂层

1.5本文的研究目的和主要研究内容

2实验材料及实验方法

2.1实验材料

2.1.1基体材料

2.1.2粘结剂

2.1.3激光熔覆Ni-Cr-Ti-C

2.1.4熔覆材料Ni-Cr-Si

2.1.5熔覆材料Nb-Ti-Si

2.2激光熔覆层检测分析

2.2.1显微结构分析

2.2.2力学性能测试

3激光工艺参数对NiTiCrC复合涂层组织性能的影响

3.1影响激光熔覆层质量因素

3.1.1光束处理方式对质量的影晌

3.1.2熔覆材料的供料方式因素

3.1.3材料及激光工艺参数因素

3.2激光工艺参数对熔覆层质量的影响

3.2.1熔覆层宏观质量

3.2.2熔覆层XRD分析

3.2.3涂层组织结构

3.2.4涂层显微硬度

3.3本章小结

4激光熔覆Ni-Cr-Ti-C复合涂层成分优化及其显微结构

4.1复合涂层截面组织形貌及其快速凝固行为分析

4.2复合涂层XRD分析

4.3复合涂层显微组织结构及物相分布

4.4显微硬度

4.5本章结论

5激光熔覆Ni-Cr-Ti-C复合涂层的摩擦磨损性能

5.1熔覆层摩擦系数

5.2磨损性能

5.3摩擦磨损形貌

5.4磨损机制

5.4.1TC4合金的磨损机制

5.4.2Ni-Cr-Ti-C复合涂层的磨损机制

5.5激光熔覆复合涂层的强化机制

5.5.1细晶强化和固溶强化

5.5.2硬质相强化

5.5.3其它

5.6本章小结

6激光熔覆其它材料组织性能的研究

6.1激光熔覆镍-铬-硅复合涂层的组织和性能

6.1.1涂层XRD及微区组织分析

6.1.2涂层微区元素成分分析

6.1.3涂层耐磨性分析

6.2激光熔覆铌-钛-硅复合涂层的组织性能研究

6.2.1涂层宏观形貌及XRD分析

6.2.2涂层微区组织分析及显微硬度测量

6.2.3涂层微区元素成分分析

6.3本章小结

7结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢