激光熔覆原位自生TiC增强复合涂层的研究

摘要

本文选用脉冲YAG激光作为辐射源,Ti/C/Ni混合粉末为涂层材料,利用预置法在TC4合金表面进行了一系列激光熔覆实验,以期在钛合金表面原位生成以TiC陶瓷为主的表面改性层,有效改善钛合金表面硬度及耐磨性能。
　　 为了得到性能优异的熔覆层,分别对样品进行了多种工艺参数的比较:在熔覆材料成分相同的条件下,改变激光功率密度；在相同的激光功率密度条件下,改变熔覆材料成份。XRD检测结果表明:不同的涂层成分配比对原位自生TiC陶瓷涂层有很大影响。熔覆层成份为Ti:C:Ni=3:1:6,熔覆功率为31W时,即激光功率密度为109W/mm2,熔覆层中生成的TiC含量较高,除了TiC外,熔覆层中还有TiO2生成,在Ti粉含量相对较少的情况下,主要生成的是Ti的氧化物,随着Ti粉含量的增加,TiC的生成量也随之增加。
　　 对熔覆样品横截面的显微组织进行了分析,SEM结果表明:熔覆样品存在三个不同的组织区域,由表及里依次是熔覆层(CZ),结合区(BZ)及热影响区(HAZ)。熔覆层的厚度大约为0.6mm,熔覆层内以细小的树枝晶为主,且分布均匀；热影响区为淬火马氏体组织。熔覆层与基体之间有一厚度为5μm左右的结合区,结合处为波形界面,表明熔覆层与基底之间形成了良好的冶金结合。结合EDS分析结果表明:熔覆层内的枝晶状组织主要成分是Ti、C和O,这说明在该工艺条件下,的确原位生成了TiC陶瓷,同时由于没有采用保护气体,还有TiO2生成,与XRD结果相吻合。
　　 对熔覆层的显微硬度分析结果表明:自熔覆层至基底,显微硬度呈梯度渐变,熔覆层内显微硬度值HV0.2最高达到1500 Kg.mm-2左右,比基底TC4合金的硬度(HV0.2为350Kg.mm-2左右)提高了3～4倍。在熔覆层的相同深度处,显微硬度值差别不大,有利于熔覆层的稳定存在,熔覆层的强化机制主要有硬质相弥散强化和细晶强化。激光熔覆复合涂层熔区组织较基体显著细化,晶粒细化行为与激光熔覆快速凝固过程中的传热与传质有关。
　　 摩擦磨损试验结果表明:激光处理后试样耐磨性明显提高,熔覆层的平均摩擦系数在0.2～0.3,而基底的平均摩擦系数在0.42左右；熔覆样品的磨损失重不足0.1％,比基底(磨损失重2％～3％)提高了20～30倍。在基底表面出现明显犁沟和沟槽,而熔覆层表面主要存在材料转移的现象,磨损产物多为片状或小颗粒,且有不同程度的磨削脱落痕迹,涂层中的磨损机制主要为磨粒磨损及粘着磨损。