激光熔覆i-ail-4v鎳基合金粉的研究

激光熔覆i-ail-4v鎳基合金粉的研究

盡管鈦合金已廣泛應(yīng)用于航天部門，但由于較大的系數(shù)和較低的耐候性，項(xiàng)目應(yīng)用范圍仍然有限。利用高能激光束對(duì)材料表面的瞬間加熱和熔池快速冷卻的特性,在鈦合金表面用激光熔覆一層增強(qiáng)材料,能夠顯著改善鈦合金的表面性能。NiCrBSi和NiCoCrAlY合金粉都是常用的熱噴涂材料。其涂層致密、結(jié)合強(qiáng)度大、耐腐蝕和氣蝕、耐高溫、抗氧化性能優(yōu)良。目前,用這兩種鎳基合金粉在鈦合金表面上進(jìn)行激光熔覆的研究報(bào)導(dǎo)并不多。為了探索這兩種鎳基合金粉的激光熔覆性能,本工作嘗試用NiCrBSi和NiCoCrAlY作為預(yù)涂粉,在鈦合金表面上進(jìn)行激光熔覆涂層的工藝研究。1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1砂紙磨削加工基體材料采用Ti-6Al-4V合金。原料切割成??30mm×8mm的圓片狀試樣,試樣待熔覆表面經(jīng)水砂紙磨削加工,熔覆前用丙酮清洗干凈。預(yù)涂層材料為NiCrBSi和NiCoCrAlY合金粉。NiCrBSi為自熔性合金粉,熔點(diǎn)為1100℃,化學(xué)成分如表1所示。NiCoCrAlY是復(fù)合合金粉,熔點(diǎn)為1400℃,化學(xué)成分如表2所示。兩種合金粉的粒度范圍均為50~100μm,顆粒形貌見(jiàn)圖1和圖2。1.2激光熔覆實(shí)驗(yàn)將預(yù)涂合金粉末與有機(jī)粘合劑混成膏劑,均勻涂在試樣表面,并在90℃下烘干2h。實(shí)驗(yàn)選定兩種預(yù)涂層厚度,分別為0.6mm和0.8mm。激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用CO2工業(yè)激光器。激光熔覆工藝參數(shù)為激光器輸出功率為750W,光斑直徑為??3mm,掃描速度為5mm/s。選定好工藝參數(shù),對(duì)預(yù)涂層進(jìn)行激光熔覆。為評(píng)價(jià)合金粉的可熔覆性,在激光熔覆過(guò)程中不用氬氣對(duì)熔池吹掃保護(hù)。1.3試驗(yàn)設(shè)備及分析方法把激光熔覆后的試樣沿涂層橫截面切開(kāi),經(jīng)過(guò)磨制和拋光,通過(guò)S-570型掃描電子顯微鏡(SEM)和TN-5502型能譜儀(EDS)進(jìn)行形貌和組織分析;金相試樣的腐蝕劑為20%HNO3+30%HF+50%H2O(體積分?jǐn)?shù)),腐蝕時(shí)間為1min左右;通過(guò)Philip型X射線衍射儀(CuKα)對(duì)涂層進(jìn)行相分析;硬度測(cè)試采用HVS-1000型顯微維氏硬度計(jì),所用載荷為0.2kg,加載保持時(shí)間為15s。2結(jié)果與分析2.1不同涂層材料對(duì)激光的性能表3統(tǒng)計(jì)了兩種合金粉末材料在不同預(yù)涂層厚度下的激光涂層宏觀形貌。當(dāng)預(yù)涂層厚度為0.6mm時(shí),兩種預(yù)涂材料均能得到連續(xù)涂層。當(dāng)預(yù)涂層厚度增大到0.8mm時(shí),NiCoCrAlY材料能得到連續(xù)涂層,而NiCrBSi材料不能得到連續(xù)涂層。可見(jiàn),預(yù)涂層材料不同,得到的連續(xù)涂層厚度也不同,NiCo-CrAlY涂層要比NiCrBSi涂層厚一些。激光涂層厚度不同主要是由于兩種粉末材料對(duì)激光的吸收率不同造成的。激光熔覆時(shí),照射的激光能量并不能被預(yù)涂層材料完全吸收,預(yù)涂層只吸收一部分能量,反射其余能量。由于激光的作用深度很小(10~20μm),材料對(duì)激光的吸收率受材料表面粗糙度影響較大。由圖1,2可見(jiàn),NiCrBSi顆粒表面光滑,粗糙度很小,對(duì)激光的吸收率較低;而NiCoCrAlY顆粒表面粗糙,對(duì)激光的吸收率高。這樣,在相同激光功率密度條件下,NiCoCrAlY預(yù)涂層吸收的能量比NiCrBSi高,因而可以熔透較厚的預(yù)涂層。2.2涂層組織的x射線衍射圖3為NiCoCrAlY涂層的微觀組織形貌。涂層組織呈胞狀或花瓣?duì)?組織均勻、致密、無(wú)氣孔和第二相夾雜。胞狀組織的能譜分析結(jié)果如表4所示。組織中主要含Ni,還含有部分Cr,Ti,Co,Al等元素。從分析結(jié)果可知,熔覆過(guò)程中鈦合金基體中的Ti元素大量進(jìn)入了涂層中。但快速加熱并冷卻的過(guò)程造成很多元素來(lái)不及析出和偏聚。因此,可以判斷出NiCoCrAlY涂層組織是固溶了Cr,Ti等多種元素的Ni基過(guò)飽和固溶體。從晶粒大小可以看出,激光熔覆的快速冷卻也使得涂層的組織得到了細(xì)化。圖4為NiCrBSi涂層的微觀組織形貌。涂層組織的基體為枝晶狀,含有多種顆粒狀和晶須狀的增強(qiáng)相。為了鑒定涂層的相組成,進(jìn)行了X射線衍射分析(見(jiàn)圖5)。由于激光熔覆的快速加熱和冷卻造成涂層組織的固溶度大,殘余應(yīng)力高,再加上涂層的元素種類很多,使得X射線衍射結(jié)果標(biāo)定難度很大。經(jīng)過(guò)認(rèn)真核對(duì),確定涂層的相是以γ-Ni為基體的含有TiB2,TiC,CrB,Ni3B,Ti3Al等增強(qiáng)相的復(fù)合組織。由于TiB2,TiC等增強(qiáng)相屬于高硬度陶瓷,含有這些增強(qiáng)相的NiCrBSi涂層硬度必然得到很大提高。2.3涂層硬度和硬度兩種鎳基合金涂層的顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果如圖6,7所示。鈦合金基體的平均硬度為HV340,熱影響區(qū)的硬度為HV410。NiCrBSi涂層的硬度范圍為HV950~1100,NiCoCrAlY涂層的硬度范圍為HV900~1000。兩種鎳基合金涂層的硬度是鈦合金基體的3倍。由圖可知,NiCrBSi涂層的硬度比NiCoCrAlY涂層的硬度略高一些,這是由于NiCrBSi涂層中存在多種高硬度增強(qiáng)相,使得其硬度得到進(jìn)一步提高。2.4不同強(qiáng)化處理的涂層采用激光熔覆技術(shù)在兩種鎳基涂層中均能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。另外,NiCrBSi涂層中還含有TiB2,TiC,CrB,Ni3B,Ti3Al等高硬度增強(qiáng)相。這些硬質(zhì)第二相的強(qiáng)化效果要大于固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。因此,NiCoCrAlY涂層主要以固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化為主,NiCrBSi涂層以第二相強(qiáng)化為主。這些強(qiáng)化因素使得兩種鎳基涂層的硬度比鈦合金提高很多,因而也就提高了其表面耐磨性。3鈦合金涂層的硬度(1)NiCoCrAlY涂層的微觀組織呈胞狀,主要由固溶了Cr,Ti等多種元素的Ni基過(guò)飽和固溶體組成。NiCrBSi涂層的微觀組織以枝晶狀的γ-Ni為基體,含有顆粒狀和晶須狀的TiB2,TiC,CrB,Ni3B,Ti3Al等多種增強(qiáng)相。(2)NiCrBSi涂層的硬度為HV950~1100,NiCo-CrAlY涂層的硬度為HV900~1000。兩種鎳基合金涂層的硬度是鈦