钛合金表面B4C/G激光合金化层的组织与耐磨性研究

摘要

由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀以及良好的低温性能等优点，钛及钛合金被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、冶金、医疗等领域。但是钛合金硬度低、耐磨性差，不宜用于制造机械产品中的传动件，限制了钛合金更广泛的应用。因此，如何提高钛合金的表面硬度和耐磨性能，扩大其应用范围，引起了国内外材料领域研究人员的广泛关注。激光合金化技术因为处理效率高、工件变形小、制备出的涂层可与基体达到冶金结合，已成为钛合金表面强化与改性领域的研究热点之一。
　　本课题采用激光合金化技术对在工业领域中应用最广泛的Ti-6Al-4V钛合金进行表面强化，在开放的氮气环境下采用B4C和石墨粉实现B-C-N多元复合激光合金化，制备出以TiC、TiN、TiB、TiB2，Ti(CN)等陶瓷硬质相为主要强化相，以TiAl、Ti3Al和Al3Ti等金属间化合物为辅助强化相的高硬度、耐磨陶瓷复合涂层。课题将粉末合金化与气体合金化相结合，通过对涂层材料的设计和制备工艺的调整来控制涂层中陶瓷相的种类、含量和分布特征，减轻涂层的脆化倾向;通过对涂层的化学成分、物相结构、微观组织、硬度及耐磨性的研究，揭示出激光合金化过程中陶瓷相的原位形成机制、合金化层的界面结构以及涂层的强化机制，阐明Ti粉和稀土氧化物Y2O3在基体相的凝固过程和陶瓷相的形成过程中的作用机制，揭示涂层成分-制备工艺-微观组织-性能之间的内在规律。
　　研究表明，采用B4C陶瓷粉与石墨粉，在开放的氮气环境下对Ti-6Al-4V钛合金表面进行多元复合激光合金化，能够获得与基体具有牢固冶金结合的高硬度复合陶瓷涂层;涂层中含有TiC、TiN、TiB、TiB2、Ti(CN)和Ti3Al等多种原位生成的硬质强化相，这些强化相在熔池凝固过程中相间生长、相互牵制，有利于获得组织细小、致密的激光合金化层;涂层粉末成分、氮气压力及激光工艺参数均会影响合金化层的表面宏观质量和微观组织，本课题试验条件下，氮气压力值为0.4MPa，B4C与石墨粉的配比为2∶1和1∶1，激光比能E范围为3.8～5.7kJ·cm-2时，能够获得宏观表面平整，微观组织致密，无明显气孔及裂纹的合金化层。
　　将Ti粉引入合金化粉末中，有利于合金化过程中熔池中原位反应的发生，生成更多TiC、TiN、TiB、TiB2、Ti(CN)等陶瓷强化相，使得合金化层硬度及耐磨性得到提高。但是当Ti含量过高时，过量的Ti残留在合金化层中，不利于合金化层整体硬度和耐磨性能的提高。研究表明，当Ti的添加量为30wt.％时，获得的合金化层硬度最高、耐磨性最好。
　　稀土氧化物Y2O3对合金化层的微观组织具有明显细化的作用，激光合金化过程中，部分未熔化Y2O3可以作为凝固过程中的异质形核核心，部分Y2O3会分解为Y与O2。Y作为表面活性元素，容易吸附在晶界或相界，阻碍晶界移动;Y还可以减小液态金属的表面张力和临界形核半径，提高形核率，有利于细化合金化层的组织。但是，过多的Y2O3会增加合金化层的脆性，不利于合金化层耐磨性能的提高。研究表明，添加1wt.％Y2O3时，可以获得耐磨性能最好的激光合金化层。
　　在合金化材料中同时引入适量的Ti粉和Y2O3，在适宜的激光工艺参数下，可以制备出组织细小致密、硬度高、耐磨性优异的合金化层。研究表明，同时添加30wt.％Ti粉与1wt.％Y2O3的合金化层硬度约为Ti-6Al-4V合金基体硬度的4倍，并表现出较好的耐磨性。
　　本课题利用激光合金化技术在Ti-6Al-4V合金表面制备出多元强化的复合陶瓷涂层，揭示了合金化过程中陶瓷相的原位形成机制、合金化层与基体相的界面结构，阐明了金属Ti粉与稀土氧化物Y2O3在合金化层中的作用机理，为激光合金化技术在钛合金机械传动件制备领域的应用提供理论依据。本课题研究可应用于航空航天、石油化工、汽车机械、海洋工业等领域钛合金零部件的制造及修复，延长零件的使用寿命，具有广阔的应用前景，一经应用，将会产生巨大的经济效益和社会效益。