钛合金表面激光硼碳氮合金化层的组织结构与耐磨性能研究

摘要

钛合金由于存在硬度较低且易产生粘着性磨损等缺点从而使它们的优良性能(如比强度高、耐蚀性较好等)得不到充分发挥。为提高钛合金的表面硬度和耐磨性能，本文采用激光表面改性技术对钛和Ti-6Al-4V合金进行了硼碳氮处理。分析了激光工艺参数对合金化层组织形貌的影响，探讨了经不同合金元素处理后合金化层内组织的生长机理，并对不同组分合金化后合金化层的耐磨性能进行了较为系统的测试分析。 激光工艺参数(如激光输出功率、扫描速度和光束直径等)对合金化层的组织形貌和性能具有较大的影响。增大激光功率和降低扫描速度，合金化层厚度增加，而组织亦随之粗大。在本试验条件下(预涂粉末的种类及厚度和采用的保护气体及压强等)，当激光功率为1200W，光束直径为2mm，扫描速度为3.0～4.0mm/s，搭接量为45～55％时可获得较为理想的合金化层。 经激光碳合金化后，合金化层内原位生成的TiC呈树枝状，枝晶臂垂直于主干生长，枝晶由貌似块状的颗粒晶体组成。由于在凝固过程中液态原子易优先沿着密排面上的密排方向附着。对面心立方晶系的TiC晶体而言，<111>方向是{111}密排面和<110>密排晶向的交汇处，易于优先生长，从而使得TiC晶体沿着<111>方向形成枝晶主干。而与晶体主干垂直的{111}密排晶面则是枝晶臂优先生长的方向。熔池在不同方向的热梯度不同使得晶体优先沿着热梯度降较大的方向生长，从而形成了树枝状结构的TiC枝晶。 晶体生长模式可由临界过冷度△T<,c>的大小判定。当△T>△T<,c>时为连续生长模式，形成粗糙界面；当△T<△T<,c>时则为侧向生长模式，形成光滑界面。在最初的结晶阶段由于较大的成分过冷度和实际过冷度使得结晶以连续生长模式进行形成枝晶主干。结晶散发出大量的结晶潜热导致实际过冷度减小，而溶质的减少则导致以连续生长模式结晶所需的临界过冷度增大。因此，随着溶质的减少和实际过冷度的减小，结晶模式则由连续生长转变为侧向螺旋生长进行。所以其后的结晶便以最初形成的枝状晶胚的局部(如晶胚的晶粒或亚晶粒适于侧向生长的表面)为核心，以侧向生长的螺旋方式长大，形成了貌似以块状晶线性排列的树枝状TiC。 激光氮化后氮化层内形成了较多的裂纹。由于氮气在熔池中的溶解仅在熔体表面发生，因而熔池中表层的氮浓度较高，且随深度增加而下降。高的氮浓度导致高的氮化物含量，而高的氮化物含量造成了表层高的弹性模量(TiN的弹性模量为616GPa，Ti基体的弹性模量为110GPa)。TiN晶体内存在高的应力、大量的位错和堆垛层错。这些位错在高应力作用下产生滑移运动，滑移的结果必然造成位错的堆积，从而造成合金化层高的硬度和脆性，所以高密度的TiN晶体集于氮化表层则易导致裂纹的形成。 钛合金经激光硼化后，合金化层内的硼化物主要为棒状和块状。与面心立方晶系的TiC和TiN不同，正交晶系的TiB和六方晶系TiB<,2>没有生长优势明显的晶面和晶向，所以易于形成等轴状晶体。又由于TiB和TiB<,2>晶体中键能B-B>B-M>M-M，故晶体易于沿着B-B键方向生长形成棒状形貌。 硼可细化钛合金的组织结构，这是因为先共晶的TiB晶粒可起到异质核心的作用。TiB与基体Ti之间存在一定的位向关系(如：(001)<,TiB>∥(1101)<,α-Ti>，( )<,TiB>∥( 012)<,α-Ti>，[21 1]<,α-Ti>∥[110]<,TiB>)，因此可推知，先共晶的TiB晶粒可作为异质核心从而使得组织细化。另一方面，凝固过程中的溶质再分配使得溶质偏聚在固-液界面。当硼在固-液界面前缘达到一定浓度时硼化物晶核将会不断的自发形成长大，导致固-液界面推进受阻，从而限制了晶体的长大。 与激光碳、氮和硼分别合金化相比，碳-氮-硼复合合金化可细化合金化层的化合物并改善其形貌。由于复合合金化时，不同的化合物相间生长，相互牵制，从而减少了发达枝晶的形成，细化了化合物组织。 稀土氧化物有细化钛合金激光合金化层组织结构的效果。这是因为当被高能量激光束辐照后，涂层中的大部分的CeO<,2>和Y<,2>O<,3>发生分解释放出铈和钇原子。首先，稀土是表面活性元素，结晶时稀土元素因具有吸附能力而易于聚积在晶体的表面。晶体的不同表面对表面活性元素的吸附量是不同的，张力最大的表面生长的最快，活性元素的吸附量也最大。当表面吸附了一层活性元素后，该表面的张力将会降低，生长速度亦随之降低。理论推导表明，吸附量最大的表面在降低晶体的表面能方面起着重要的作用。因此，表面吸附不仅使晶体的表面能降低，而且能阻止张力大的表面生长过快，所以使晶粒得以细化。 其次，作为表面活性元素，Ce和Y能降低熔体表面张力和熔体与晶核间的界面能。晶相与熔体间的自由能改变可产生促进形核的动力。固-液界面能越低，则形核所需的形核功也越低。所以，Ce和Y能降低形核功，促进自发形核，因而细化了基体组织。 另一方面，由于Y<,2>O<,3>与β-Ti均为立方晶系，而CeO<,2>和α-Ti均为六方晶系，所以在凝固过程中未熔的Y<,2>O<,3>和CeO<,2>的颗粒可作为异质晶核，起到孕育效果，使得合金化层的组织得到进一步细化。 再者，由于铈和钇的原子半径较大，若其存在于晶粒内则将导致晶格扭曲，体系的能量增大。所以Ce和Y易于在晶格排列不规则的晶粒边界富集，从而能保持体系的自由能最低。因此，合金化层中的Ce和Y原子主要分布于晶粒边界，当晶粒生长时，边界上的Ce和Y原子将对晶界的运动产生牵制作用，抑止了晶粒的生长。由于与氧具有较强的亲和力，在凝固过程中富集在晶粒边界的Ce和Y会重新与氧结合。因此，在这些颗粒尺寸较大的氧化物附近将会形成较高的应变能，这必定会对晶粒的生长起阻碍作用。 经激光碳、氮、硼分别合金化后合金化层的硬度为1100～1300HV<,0.1>，明显高于纯钛(约350 HV<,0.1>)和Ti-6AI-4V(约405 HV<,0.1>)。磨损试验表明，合金化层的磨损抗力是基体的3～4倍。当采用碳-氮-硼或TiC、TiN等合金粉末复合合金化后，试样的表层硬度可达1600～1700HV<,0.1>，磨损抗力高于基体5倍以上。合金化层的磨损表面较为平整，形成的沟槽较浅，未发生粘着磨损，而基体的磨损表面粗糙，存在较深的沟槽，并呈现粘着磨损。经稀土处理后，其耐磨性能得到进一步提高。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪言

第二章试验材料与方法

第三章激光工艺对合金化层组织形貌的影响

第四章激光碳氮硼合金化层的组织结构分析

第五章激光硼碳氮复合合金化层的组织结构分析

第六章稀土氧化物对激光合金化层组织结构的影响

第七章激光合金化层的硬度与耐磨性能测试与分析

结论

创新

致谢

攻读博士学位期间的学术和科研工作