激光合成原位颗粒增强金属间化合物基复合涂层组织及形成机制研究

摘要

本文利用激光表面合金化技术，以Al+TiC混合粉末为原料，分别在20＃钢、电解镍、Ti-6Al-4V钛合金基材表面制备了TiC增强金属间化合物基复合涂层，分析了涂层的显微组织结构，研究了TiC的溶解及析出规律，模拟了熔池温度场分布及稀释率，测试了涂层的显微硬度和纳米硬度，讨论了涂层的显微组织形成机制。
　　研究结果表明:在20＃钢表面制备的TiC/Fe3Al复合涂层，温度在2300 K以上时，TiC在Fe-Al合金熔池中发生溶解，然后原位析出。激光功率分别为1.25kW和1.50 kW时，熔池稀释率模拟计算结果分别为62.50％、72.22％，实测结果分别为64.41％、79.31％，模拟计算结果与实际情况吻合较好。涂层显微硬度值分别为415.74HV0.2、441HV0.2，相对基材分别提高了2.7及2.6倍。涂层中大尺寸未溶解TiC颗粒的纳米硬度为30.219 Gpa，小尺寸原位析出的TiC颗粒的纳米硬度为19.755 Gpa，小尺寸TiC颗粒的纳米硬度受基体影响较大。
　　在电解镍表面制备的TiC/Ni3Al涂层，温度在2700K以上时，TiC在Ni-Al合金熔体中发生溶解，然后原位析出。激光功率分别为1.25 kW和1.75 kW时，熔池稀释率模拟计算结果分别为61.54％、73.91％，实测结果分别为66.67％、78.30％，模拟计算结果与实际情况吻合较好。涂层显微硬度值分别为479.9HV0.2、456.6HV0.2，相对基材分别提高了4.72及4.49倍。
　　在Ti-6Al-4V合金表面制备的TiC/TiAl涂层，TiC在Ti-Al合金熔体中未发生溶解和析出。激光功率分别为1.25 kW和1.50 kW时，熔池稀释率模拟计算结果分别为46.4％、57.7％，实测结果分别为43.5％、54.5％，模拟结果与实际情况吻合较好。由于涂层中存在大量未溶TiC颗粒，涂层的显微硬度分布不均匀。
　　原位颗粒增强复合涂层的形成机制为:在激光束流辐照下，Al+TiC混合粉末在基材表面熔化形成熔池，Al与基材发生合金化形成金属间化合物，作为复合涂层的基体相，TiC在合金熔池中原位析出，作为复合涂层的增强相。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高温合金材料

1．1．2 金属间化合物及其特点

1．2 颗粒增强金属间化合物基复合涂层及制备方法

1．2．1 颗粒增强金属间化合物基复合涂层

1．2．2 颗粒增强金属间化合物基复合涂层制备方法

1．3 激光合成制备TiC增强金属间化合物基复合涂层研究现状

1．3．1 激光合成制备TiC增强Fe-Al金属间化合物基复合涂层

1．3．2 激光合成制备TiC增强Ni-Al金属间化合物基复合涂层

1．3．3 激光合成制备TiC增强Ti-Al金属间化合物基复合涂层

1．4 本课题的意义及研究内容

2 试验材料及方法

2．1 试验材料

2．1．1 基材

2．1．2 粉末

2．2 激光表面合金化工艺试验

2．2．1 预处理

2．2．2 试验装置

2．2．3 工艺参数

2．2．4 涂层的制备

2．3 试样选取与编号

2．4 材料分析试验

2．4．1 XRD试验

2．4．2 金相显微试验

2．4．3 扫描电镜及能谱试验

2．4．4 显微硬度试验

2．4．5 纳米压痕试验

2．1 有限元温度场模拟及热力学计算

3 TiC／Fe-Al复合涂层组织形成机制研究

3．1 复合涂层的显微组织结构分析

3．1．1 涂层物相分析

3．1．2 涂层显微组织光学金相观察分析

3．1．3 涂层显微组织扫描电镜及能谱分析

3．2 TiC在Fe-Al合金熔体中溶解及析出规律分析

3．3 熔池温度场模拟

3．3．1 激光合成温度场模拟数学模型

3．3．2有限元模型及假设

3．3．3 激光热源

3．3．4 材料热物理参数

3．3．5 温度场模拟结果

3．3．6 熔池稀释率分析及验证

3．4 涂层的显微硬度和纳米硬度评价

3．4．1 涂层的显微硬度

3．4．2 涂层的纳米压痕测试

3．5 涂层组织形成机制讨论

3．6 小结

4 TiC／Ni-Al复合涂层组织形成机制研究

4．1 复合涂层的显微组织结构分析

4．1．1 物相分析

4．1．2 涂层显微组织光学金相观察分析

4．1．3 涂层显微组织扫描电镜及能谱分析

4．2 TiC在Ni-Al合金熔体中的溶解及析出规律分析

4．3 熔池温度场模拟

4．3．1 有限元模型及物理参数

4．3．2 温度场模拟结果

4．3．3 熔池稀释率分析及验证

4．4 涂层的显微硬度和纳米硬度评价

4．4．1 复合涂层的显微硬度

4．4．2 涂层的纳米压痕测试

4．5 复合涂层组织形成机制讨论

4．6 小结

5 TiC／Ti-Al复合涂层组织形成机制研究

5．1 复合涂层的显微组织结构分析

5．1．1 物相分析

5．1．2 涂层显微组织光学金相观察分析

5．1．3 涂层显微组织扫描电镜及能谱分析

5．2 TiC在Ti-Al合金熔体中的溶解及析出规律分析

5．3 温度场分布有限元模拟

5．3．1 有限元模型及物理参数

5．3．2 温度场模拟结果

5．3．3 熔池稀释率分析及验证

5．4 涂层的显微硬度评价

5．5 涂层组织形成机制讨论

5．6 小结

6 结论

参考文献

作者简历

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