激光熔覆层的显微组织与摩擦磨损性能研究

激光熔覆层的显微组织与摩擦磨损性能研究

钛合金具有强度高、耐腐蚀性好等优点。它是航空、航空航天、石油、化工等部门广泛使用的高性能材料。但由于钛合金的硬度低、耐磨性能差,限制了它在摩擦机构中的应用,因而如何提高钛合金的耐磨性是许多材料工作者所关注的问题。近年来,激光技术得到了发展和应用,但是,目前激光表面强化技术的推广并未达到人们所期望的效果,主要原因是激光表面合金化和激光熔覆中改性层质量不易控制,经常在改性层中出现裂纹等缺陷。如何解决这个问题是本文研究的重点。纳米陶瓷是指显微结构中,晶粒、晶界及其结合都在纳米尺寸水平,由于其晶粒细化,晶界数量大幅增加,相对于传统涂层,纳米涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨和热疲劳等方面会有显著改善。激光熔覆陶瓷颗粒增强的金属基复合涂层将陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性和金属材料的高延性、高强度有机地结合在一起,可以显著提高材料表面的耐磨性能,有望解决激光熔覆中易出现的裂纹、孔隙等缺陷,获得具有质量良好的复合涂层。基于上述分析,本文采用纳米TiC作为涂层材料,借助于横流5.0kWCO2激光器,在TC4钛合金表面制备TiC复合涂层,分析了熔覆层的显微组织、成分、物相,并测试了激光熔覆层的显微硬度和滑动摩擦磨损性能。1涂层成分和显微硬度试验选用40%Ti+30%TiC+30%F102合金粉末(体积比)的机械混合物作为熔覆材料,将混合物放在球磨机中研磨,使其混合均匀。试验基体材料为退火态的TC4钛合金,硬度约300HV0.1;F102粉的合金成分(质量分数)为16%Cr、4%B、4%Si和76%Ni,粉末粒度为106μm;TiC为纳米TiC,平均粒度40nm;Ti粉粒子大小50～100μm。试样尺寸为ϕ50mm×10mm,通过铺粉装置在试样上铺设预制的熔覆材料,预制涂层约为0.8mm,低温烘干然后采用HL-5000型横流CO2激光器,对上述预制涂层表面进行激光扫描。激光工艺参数为激光入射功率密度2.78×104W/cm2,激光扫描速度6mm/s。用带EDAX能谱仪的S-570扫描电镜观察涂层试样横剖面的显微组织,并测试成分;用D/max-2550PC型X射线衍射仪分析涂层的相组成;用HXD-1000TMC型显微硬度计测试涂层横剖面的显微硬度(测试小块状组织、针状组织的硬度采用25g载荷,其余硬度采用100g载荷测试);用HT-600型销-盘式高温摩擦磨损试验机测试熔覆层的摩擦磨损性能,用TG328A电光分析天平(精确度为10-4)测试磨损量Δm。2试验结果与分析2.1涂层的x射线衍射TC4钛合金表面激光熔覆TiC复合涂层的X射线衍射分析见图1。经分析激光熔覆层由TiC、γ-Ni、β-Ti、CrB、VC、Ni3Al等相组成。2.2纳米粒子的表征图2为激光熔覆处理的试样横剖面的低倍SEM照片,可见,激光熔覆层试样横剖面由表及里可以分为3个区域,表层为含TiC的熔覆层,激光熔覆层涂层内组织均匀致密,无气孔和裂纹等缺陷。底层为基体的热影响区,在熔覆层与基体热影响区之间,存在一厚度为100μm的白亮区,称为结合区。图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为熔覆层、结合区和基体热影响区的高倍显微组织照片。由图3可见,激光熔覆层剖面表层和次表层上有大量的小块状组织、针状组织,结合区的组织为细小的树枝晶,树枝晶的主轴大致垂直于熔池的底部,呈联生结晶特征,表明涂层与基体之间为冶金结合。基体热影响区组织为针状马氏体。经EDAX成分测试,熔覆层中块状组织为含Ti的碳化物,熔覆层中针状组织也为Ti的碳化物,其成分见图4。可以认为:激光熔覆层的组织是在Ti-Ni基复合涂层的基体上分布着大量小块状、针状TiC颗粒。在熔覆材料中加入的纳米TiC,一部分形成了小块状、针状TiC颗粒,另一部分TiC发生了溶解,高温时溶解于Ti-Ni基合金熔体中的Ti和C原子在冷却过程中或固溶于Ti-Ni基合金中,对周围合金层产生固溶强化,或以TiC的形式重新析出,熔覆层中白亮质点状颗粒即为由Ti-Ni基合金熔体中凝固析出的TiC颗粒。通过对小块状组织、针状组织定点打显微硬度,块状组织的硬度为2350HV0.025、针状组织的硬度为2446HV0.025,其周围合金层组织的硬度为1044HV0.025,也进一步佐证了上述观点。据文献介绍,纳米微粒具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子,纳米粒子的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多,由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的內能小得多,这就使得纳米微粒熔点急剧下降。此外由于纳米结构材料中有大量界面,这些界面为原子提供了短程扩散途径,使纳米材料的固溶扩散能力提高。又因为Ni基合金有很好的湿润性,TiC与Ti基合金相容性较好,因此选用纳米TiC,选择合适的激光熔覆工艺参数,制备了消除裂纹与孔隙,涂层与基体呈冶金结合的TiC复合涂层。2.3tc4钛合金抗体硬度图5为激光熔覆TiC复合涂层沿层深方向的硬度梯度曲线。由图5可见,激光熔覆层的硬度在880～1087HV0.1之间,TC4钛合金基体热影响区的硬度约为340HV0.1。与基体硬度300HV0.1比较接近,表明TC4钛合金淬火组织的硬化效应极弱。结合区的硬度约为650HV0.1,介于熔覆层和基底之间,这对熔覆层和基底的结合及防止表面硬壳层的破碎是十分有益的。2.4复合涂层的磨损量采用HT-600型销-盘式高温摩擦磨损试验机测试激光熔覆TiC复合涂层的摩擦磨损性能,销为正火态45钢,硬度为260HV0.1,尺寸为ϕ5mm×24mm,盘为TC4钛合金和经多道搭接的激光熔覆TiC复合涂层试样,尺寸ϕ50mm×10mm,激光熔覆层的摩擦表面经过磨削加工。载荷为1782g,滑动速度84mm/s,滑动距离L为1210m。用TG328A电光分析天平(精确度为10-4)测试磨损量Δm,并计算质量磨损率I(I=Δm/L)。表1为在相同条件下,TC4钛合金和经多道搭接的激光熔覆TiC复合涂层试样的摩擦磨损性能。由表1可见激光熔覆TiC复合涂层的磨损量为TC4钛合金的18%。TiC复合涂层不仅具有较高的耐磨性能,而且具有较低的摩擦因数,明显提高了TC4钛合金表面的摩擦性能。图6(a)、(b)分别为TC4钛合金和激光熔覆TiC复合涂层的磨损表面形貌。由图6(a)中可见,TC4钛合金磨损表面存在既深又宽的犁沟,这是由于钛合金的硬度较低,在摩擦过程中,销子对磨盘表面产生了较强的犁削作用的缘故。激光熔覆TiC复合涂层的磨损表面比较光滑、平坦,磨损既细又浅,这是由于激光熔覆TiC复合涂层是在Ti-Ni基复合涂层的基体上分布着大量小块状、针状TiC颗粒,熔覆层硬度较高,销子对磨盘表面的犁削作用减弱,所以磨痕细而浅。3复合涂层的物相结构1)选择合适的激光熔覆工艺参数,可以在TC4钛合金表面制备表面平整、细密、消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的TiC复合涂层。2)激光熔覆制备的TiC复合涂层与基体呈冶金结合,涂层中有大量小块状、针状TiC颗粒和TiC树枝晶。涂层中的物相主要为TiC、γ-Ni、β-Ti、CrB、VC、Ni3