激光熔覆層的顯微組織與摩擦磨損性能研究

激光熔覆層的顯微組織與摩擦磨損性能研究

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。它是航空、航空航天、石油、化工等部門廣泛使用的高性能材料。但由于鈦合金的硬度低、耐磨性能差,限制了它在摩擦機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用,因而如何提高鈦合金的耐磨性是許多材料工作者所關(guān)注的問題。近年來,激光技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用,但是,目前激光表面強(qiáng)化技術(shù)的推廣并未達(dá)到人們所期望的效果,主要原因是激光表面合金化和激光熔覆中改性層質(zhì)量不易控制,經(jīng)常在改性層中出現(xiàn)裂紋等缺陷。如何解決這個(gè)問題是本文研究的重點(diǎn)。納米陶瓷是指顯微結(jié)構(gòu)中,晶粒、晶界及其結(jié)合都在納米尺寸水平,由于其晶粒細(xì)化,晶界數(shù)量大幅增加,相對(duì)于傳統(tǒng)涂層,納米涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨和熱疲勞等方面會(huì)有顯著改善。激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合涂層將陶瓷材料的高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性和金屬材料的高延性、高強(qiáng)度有機(jī)地結(jié)合在一起,可以顯著提高材料表面的耐磨性能,有望解決激光熔覆中易出現(xiàn)的裂紋、孔隙等缺陷,獲得具有質(zhì)量良好的復(fù)合涂層?；谏鲜龇治?本文采用納米TiC作為涂層材料,借助于橫流5.0kWCO2激光器,在TC4鈦合金表面制備TiC復(fù)合涂層,分析了熔覆層的顯微組織、成分、物相,并測(cè)試了激光熔覆層的顯微硬度和滑動(dòng)摩擦磨損性能。1涂層成分和顯微硬度試驗(yàn)選用40%Ti+30%TiC+30%F102合金粉末(體積比)的機(jī)械混合物作為熔覆材料,將混合物放在球磨機(jī)中研磨,使其混合均勻。試驗(yàn)基體材料為退火態(tài)的TC4鈦合金,硬度約300HV0.1;F102粉的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為16%Cr、4%B、4%Si和76%Ni,粉末粒度為106μm;TiC為納米TiC,平均粒度40nm;Ti粉粒子大小50～100μm。試樣尺寸為?50mm×10mm,通過鋪粉裝置在試樣上鋪設(shè)預(yù)制的熔覆材料,預(yù)制涂層約為0.8mm,低溫烘干然后采用HL-5000型橫流CO2激光器,對(duì)上述預(yù)制涂層表面進(jìn)行激光掃描。激光工藝參數(shù)為激光入射功率密度2.78×104W/cm2,激光掃描速度6mm/s。用帶EDAX能譜儀的S-570掃描電鏡觀察涂層試樣橫剖面的顯微組織,并測(cè)試成分;用D/max-2550PC型X射線衍射儀分析涂層的相組成;用HXD-1000TMC型顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層橫剖面的顯微硬度(測(cè)試小塊狀組織、針狀組織的硬度采用25g載荷,其余硬度采用100g載荷測(cè)試);用HT-600型銷-盤式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試熔覆層的摩擦磨損性能,用TG328A電光分析天平(精確度為10-4)測(cè)試磨損量Δm。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1涂層的x射線衍射TC4鈦合金表面激光熔覆TiC復(fù)合涂層的X射線衍射分析見圖1。經(jīng)分析激光熔覆層由TiC、γ-Ni、β-Ti、CrB、VC、Ni3Al等相組成。2.2納米粒子的表征圖2為激光熔覆處理的試樣橫剖面的低倍SEM照片,可見,激光熔覆層試樣橫剖面由表及里可以分為3個(gè)區(qū)域,表層為含TiC的熔覆層,激光熔覆層涂層內(nèi)組織均勻致密,無氣孔和裂紋等缺陷。底層為基體的熱影響區(qū),在熔覆層與基體熱影響區(qū)之間,存在一厚度為100μm的白亮區(qū),稱為結(jié)合區(qū)。圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為熔覆層、結(jié)合區(qū)和基體熱影響區(qū)的高倍顯微組織照片。由圖3可見,激光熔覆層剖面表層和次表層上有大量的小塊狀組織、針狀組織,結(jié)合區(qū)的組織為細(xì)小的樹枝晶,樹枝晶的主軸大致垂直于熔池的底部,呈聯(lián)生結(jié)晶特征,表明涂層與基體之間為冶金結(jié)合。基體熱影響區(qū)組織為針狀馬氏體。經(jīng)EDAX成分測(cè)試,熔覆層中塊狀組織為含Ti的碳化物,熔覆層中針狀組織也為Ti的碳化物,其成分見圖4?？梢哉J(rèn)為:激光熔覆層的組織是在Ti-Ni基復(fù)合涂層的基體上分布著大量小塊狀、針狀TiC顆粒。在熔覆材料中加入的納米TiC,一部分形成了小塊狀、針狀TiC顆粒,另一部分TiC發(fā)生了溶解,高溫時(shí)溶解于Ti-Ni基合金熔體中的Ti和C原子在冷卻過程中或固溶于Ti-Ni基合金中,對(duì)周圍合金層產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,或以TiC的形式重新析出,熔覆層中白亮質(zhì)點(diǎn)狀顆粒即為由Ti-Ni基合金熔體中凝固析出的TiC顆粒。通過對(duì)小塊狀組織、針狀組織定點(diǎn)打顯微硬度,塊狀組織的硬度為2350HV0.025、針狀組織的硬度為2446HV0.025,其周圍合金層組織的硬度為1044HV0.025,也進(jìn)一步佐證了上述觀點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)介紹,納米微粒具有大的比表面積,表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加,小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、光敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于常規(guī)粒子,納米粒子的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多,由于顆粒小,納米微粒的表面能高、比表面原子數(shù)多,這些表面原子近鄰配位不全,活性大以及體積遠(yuǎn)小于大塊材料的納米粒子熔化時(shí)所需增加的內(nèi)能小得多,這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。此外由于納米結(jié)構(gòu)材料中有大量界面,這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑,使納米材料的固溶擴(kuò)散能力提高。又因?yàn)镹i基合金有很好的濕潤性,TiC與Ti基合金相容性較好,因此選用納米TiC,選擇合適的激光熔覆工藝參數(shù),制備了消除裂紋與孔隙,涂層與基體呈冶金結(jié)合的TiC復(fù)合涂層。2.3tc4鈦合金抗體硬度圖5為激光熔覆TiC復(fù)合涂層沿層深方向的硬度梯度曲線。由圖5可見,激光熔覆層的硬度在880～1087HV0.1之間,TC4鈦合金基體熱影響區(qū)的硬度約為340HV0.1。與基體硬度300HV0.1比較接近,表明TC4鈦合金淬火組織的硬化效應(yīng)極弱。結(jié)合區(qū)的硬度約為650HV0.1,介于熔覆層和基底之間,這對(duì)熔覆層和基底的結(jié)合及防止表面硬殼層的破碎是十分有益的。2.4復(fù)合涂層的磨損量采用HT-600型銷-盤式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試激光熔覆TiC復(fù)合涂層的摩擦磨損性能,銷為正火態(tài)45鋼,硬度為260HV0.1,尺寸為?5mm×24mm,盤為TC4鈦合金和經(jīng)多道搭接的激光熔覆TiC復(fù)合涂層試樣,尺寸?50mm×10mm,激光熔覆層的摩擦表面經(jīng)過磨削加工。載荷為1782g,滑動(dòng)速度84mm/s,滑動(dòng)距離L為1210m。用TG328A電光分析天平(精確度為10-4)測(cè)試磨損量Δm,并計(jì)算質(zhì)量磨損率I(I=Δm/L)。表1為在相同條件下,TC4鈦合金和經(jīng)多道搭接的激光熔覆TiC復(fù)合涂層試樣的摩擦磨損性能。由表1可見激光熔覆TiC復(fù)合涂層的磨損量為TC4鈦合金的18%。TiC復(fù)合涂層不僅具有較高的耐磨性能,而且具有較低的摩擦因數(shù),明顯提高了TC4鈦合金表面的摩擦性能。圖6(a)、(b)分別為TC4鈦合金和激光熔覆TiC復(fù)合涂層的磨損表面形貌。由圖6(a)中可見,TC4鈦合金磨損表面存在既深又寬的犁溝,這是由于鈦合金的硬度較低,在摩擦過程中,銷子對(duì)磨盤表面產(chǎn)生了較強(qiáng)的犁削作用的緣故。激光熔覆TiC復(fù)合涂層的磨損表面比較光滑、平坦,磨損既細(xì)又淺,這是由于激光熔覆TiC復(fù)合涂層是在Ti-Ni基復(fù)合涂層的基體上分布著大量小塊狀、針狀TiC顆粒,熔覆層硬度較高,銷子對(duì)磨盤表面的犁削作用減弱,所以磨痕細(xì)而淺。3復(fù)合涂層的物相結(jié)構(gòu)1)選擇合適的激光熔覆工藝參數(shù),可以在TC4鈦合金表面制備表面平整、細(xì)密、消除了裂紋與孔隙并與基體呈冶金結(jié)合的TiC復(fù)合涂層。2)激光熔覆制備的TiC復(fù)合涂層與基體呈冶金結(jié)合,涂層中有大量小塊狀、針狀TiC顆粒和TiC樹枝晶。涂層中的物相主要為TiC、γ-Ni、β-Ti、CrB、VC、Ni3