（材料学专业论文）氩弧熔覆原位合成tib2tin增强钛基复合涂层组织与性能研究.pdf

ad i s s e i r c a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g l 必i i i y 17 8 4 5 8 6 t h e i n v e s t i g a t i o no n t h em i c r o s t r u c t l l r r ea n d p r o p e r t i e so fc o m p o s i t ec o a t i n go f i n s i t u s y n t h e s i st i b 2 一t i np a r t i c u l a t er e i n f o r c e t i t a n i u mm a t r i x b ya 玛o n a r c c 1 a d d i n g c a n d i d a t e ：d i n gy u a n z h u su p e r v i s o r ：p r o z h a og u o g a n g s p e c i a li t ) ， ：m a t e r i a l ss c i e n c e h e i l o n 萄i a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，l50 0 2 7 d a t eo f s u b m i t ：a p r i l2 0 1 0 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：导师签名：r期： 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 金属基复合材料既具有金属材料的良好强韧性，又具有陶瓷材 料的高硬度、高耐磨性。采用原位合成法制备的金属基复合涂层热 力学稳定，界面洁净，分布均匀，与基体结合良好。本文采用氩弧 熔覆( g t a w ) 技术，以b n 粉和n i 6 0 粉为原料在t c 4 合金表面原 位合成t i b 2 t i n 增强钛基复合涂层。通过对不同配比的涂层微观组 织和性能的对比分析，选择出了适宜的氩弧熔覆工艺参数。利用带 有能谱仪的扫描电镜和x 射线衍射仪分析了复合涂层的显微组织、 化学成分及相组成，观察分析了t c 4 合金和涂层的磨损表面形貌及 磨屑形貌，探讨了t i b 2 t i n 颗粒形成机制。利用显微硬度计和摩擦 磨损试验机测试了复合涂层的显微硬度和摩擦磨损性能，阐述了 t c 4 合金和复合涂层的磨损机制。 实验结果表明，通过熔覆材料成分设计和优化熔覆工艺参数， 可获得表面质量良好，组织均匀且与基底实现冶金结合的复合涂层。 复合涂层的显微组织沿层深方向可分为熔覆区、结合区和热影 响区三个区域。其显微组织由长棒状t i b 2 、颗粒状t i n 及a t i ( n i ，a 1 ) 固溶体组成。 复合涂层的显微硬度由表及里呈下降阶梯状分布，s 1 试样 ( 4 0 w t b n + 6 0 w t n i 6 0 a ) 复合涂层显微硬度最高为h v l 2 0 0 左右。 摩擦系数在0 4 7 o 5 5 之间，t c 4 合金的磨损机制主要是磨粒磨损和 粘着磨损，复合涂层的磨损机制为显微切削磨损和粘着磨损。 关键词：氩弧熔覆，原位合成，复合涂层，t i b 2 t i n 增强颗粒， 耐磨性 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s a r eb o t hg o o ds t r e n g t ho fm e t a l l i c m a t e r i a l s ，b u ta l s oh a sh i g hh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fc e r a m i c m a t e r i a l s i n - s i t up r o d u c i n gc o m p o s i t ec o a t i n gi sc h a r a c t e r i z e db y t h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t y ，c l e a ri n t e r f a c ea n dg o o dw e t t a b i l i t yb e t w e e n r e i n f b r c e m e n tp h a s e sa n dm a t r i x m e t a l l i cc e r a m i cc o a t i n gr e i n f b r c e d b yi n - s i t us y n t h e s i z e dt i b 2a n dt i np a r t i c u l a t e sh a sb e e ns u c c e s s f i u l l y f a b r i c a t e db ym e a n so fg a st u n g s t e na r cw e l d i n g ( g 1 a w ) u s i n gt c 4 a l l o y ，b na n dn i 6 0 ap o w d e r sa st h eb i n d i n gm a t e r i a l s t h r o u g ht h e c o m p a r i s o na n a l y s e so ft h ed i f 托r e n tm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e o f c o a t i n g s ，t h eo p t i m a l g t a w p a r a m e t e r s w e r eo b t a i n e d t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s ec o m p o s i t i o no ft h ec o a t i n gw a sa n a l y z e d ， t h e m o r p h o l o g i e so ft h ew o r ns u r f a c e s a n dd e b r i sw e r eo b s e r v e db y s e m ( e d s ) ， x r d f r i c t i o na n d w e a rr e s i s t a n c eo ft h e c o m p o s i t e c l a d d i n gu n d e rd i f 诧r e n tt r i b o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e du s i n g f r i c t i o na n dw e 盯t e s t e r ，w e a rm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ec o a t i n gw a s d i s c u s s e db a s e do nt h ec o m p a r i s o nw i t ht h ew e a ro ft c 4a l l o y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p o s i t ec o a t i n g sw i t hg o o ds u r f a c e q u a l i t y ，u n i f 0 r ma n de x c e l l e n tb o n d i n gb e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt ia l l o y s u b s t r a t ew e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ec l a d d i n gm a t e r i a lc o m p o s i t i o n d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ec o m p o s i t ec o a t i n g sc a nb ed i v i d e di n t ot h ec l a d ，t h eb i n d i n g a n dt h eh e a t a f f e c t e dz o n ea l o n gt h ed e p t hp r o f i l e t h em i c r o s t r u c t u r e o ft h ec o m p o s i t ec o a t i n go b t a i n e db yg t a wa r et i b 2 ，t i na n da - t i ( n i ，a 1 ) t h em i c r o h a r d n e s so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gd e c r e a s e dt h e d i s “i b u t i o nl a d d e r t h em a i nw e a rm e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g i sm i c r o c u t t i n gw e a ra n da d h e s i v ew e a r k e y w o r d s ：g a st u n g s t e n a r c w e l d i n g ( g 1 7 a w ) ， i n - s i t u s y n t h e s i s ， c o m p o s i t ec o a t i n g ，t i b 2 一t i np a r t i c u l a t e s ，w e a rr e s i s t a n c e 一 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 选题意义l 1 2 氩弧熔覆技术2 1 2 1 氩弧熔覆技术的基本概念2 1 2 2 氩弧熔覆技术的工艺特点3 1 2 3 氩弧熔覆的熔池特征3 1 2 4 氩弧熔覆技术的研究现状4 1 3 钛合金6 1 3 1 钛合金的特点及应用6 1 3 2t i 6 a 1 4 v 合金7 1 3 3 钛合金摩擦磨损的研究现状8 1 4 氮化钛和二硼化钛金属陶瓷研究进展9 1 4 1 氮化钛的晶体结构及性能。9 1 4 2 二硼化钛的晶体结构及性能1 0 1 4 3 氮化钛和二硼化钛金属陶瓷涂层制备技术1 1 1 4 4 氮化钛和二硼化钛金属陶瓷涂层原位反应合成法1 1 1 5 课题研究的目的、主要内容及技术路线1 2 1 5 1 课题研究目的1 2 1 5 2 课题研究主要内容1 2 1 5 3 技术路线1 3 第2 章试验材料及试验方法1 4 2 1 试验材料1 4 2 1 1 基体材料1 4 2 1 2 熔覆材料1 5 2 2 实验方案1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 1 熔覆材料成分配比1 6 2 2 2 预置粉末熔覆试样制备1 7 2 3 氩弧熔覆复合涂层的显微组织分析方法17 2 4 氩弧熔覆涂层硬度及耐磨性能测试方法。1 8 2 4 1 显微硬度测试方法1 8 2 4 2 摩擦磨损性能测试方法1 8 第3 章氩弧熔覆原位合成复合涂层的影响因素2 0 3 1 熔覆电流对涂层质量的影响2 0 3 2 熔覆速度对涂层质量的影响2 2 3 3 预置粉末厚度对涂层质量的影响2 3 3 4 不同成分配比熔覆材料对复合涂层组织的影响2 4 3 5 不同成分配比熔覆材料对复合涂层显微硬度的影响2 5 3 6 本章小结。2 6 第4 章氩弧熔覆原位合成t i b 2 t i n 复合涂层微观组织2 7 4 1 氩弧熔覆复合涂层t i b 2 t i n 增强相的确定2 7 4 1 1 复合涂层组织的物相分析2 7 4 1 2 复合涂层颗粒增强相的能谱分析2 7 4 1 3 复合涂层颗粒增强相元素定性分析2 9 4 2 复合涂层微观组织分析2 9 4 3 本章小结3 2 第5 章氩弧熔覆原位合成t i b 2 t i n 热力学分析与形成机理3 3 5 1 原位合成t i b 2 t i n 复合涂层的热力学分析3 3 5 2t i b 2 一t i n 颗粒的形成机理3 7 5 3 本章小结4 l 第6 章氩弧熔覆复合涂层性能与摩擦磨损研究4 2 6 1 氩弧熔覆t i b 2 t i n 复合涂层的硬度分布。4 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 6 2 氩弧熔覆t i b 2 t i n 复合涂层的耐磨性能4 3 6 3t c 4 合金和复合涂层的摩擦行为4 4 6 3 1 摩擦过程4 4 6 3 2 摩擦系数4 5 6 4 磨屑分析4 6 6 5t c 4 合金和氩弧熔覆复合涂层的磨损机制4 7 6 6 强化机制5 1 6 7 本章小结5 2 结论5 3 致谢。5 4 参考文献5 5 l 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 1 选题意义 第1 章绪论 钛合金因其具有比强度高、耐热性高和耐蚀性好等优良性能， 是航空、航天、石油化工、煤化工等领域广泛使用的重要材料。由 于钛合金的耐磨性能较差当用在摩擦部位时，易产生磨损而失效， 限制了钛合金在摩擦机械系统等工程中的应用范围【1 1 。为了提高钛 合金的耐磨性能，国内外研究人员采用化学热处理【2 - 6 1 、化学镀【7 罐】、 气相沉积【9 。o 】及离子注入【1 1 舶】等表面改性技术方法在钛合金表面制 备耐磨层，但上述方法或由于受涂层与基体之间结合力弱的影响， 或由于受固态溶解度小以及扩散速度慢的限制，制备耐磨涂层的效 果常常不理想。虽然目前激光熔覆钛合金表面陶瓷化的研究较多， 但激光熔覆成本较高，设备维护费用昂贵，难以在实际工业生产中 大量应用。 金属基复合材料兼有金属的性能和陶瓷的优点，从而显示出不 同于基体合金的物理性能和机械性能，如较高的比强度、比刚度及 更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性【1 7 。2 们。原位合成法制备金 属基复合材料具有基体与增强相的相容性好，热力学稳定，界面洁 净，尺寸细小，分布均匀，与基体冶金结合等优点，成为制备复合 涂层的首选方法。 氩弧熔覆技术的发展为材料表面改性提供了一种有效手段，亦 为金属表面陶瓷化开辟了新的技术途径。采用氩弧热源在金属基体 表面原位合成陶瓷金属基复合材料保护涂层，将金属材料良好的性 能与陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能有机结合起来，从而提高零件 的使用寿命，目前的研究及应用主要集中在各种钢的基体上，而氩 弧熔覆钛合金表面陶瓷化的研究报道较少。因此开展钛合金表面氩 弧熔覆金属一陶瓷复合涂层的研究，优化氩弧熔覆工艺参数，获得 优良的耐磨涂层，不但具有实际的工程应用背景，而且可以为提高 钛合金的耐磨性能提供有效的技术途径，具有重要的理论意义。 l q 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 氩弧熔覆技术 1 2 1 氩弧熔覆技术的基本概念 氩弧熔覆技术是一种通过在基体材料表面预涂熔覆材料，利用 氩弧热源能量快速加热，使熔覆材料及基体材料表面薄层发生熔化， 并通过基材的急冷作用实现快速凝固，从而在基体材料表面形成冶 金结合复合涂层的工艺方法。氩弧熔覆的原理示意图如图1 1 所示。 图1 1 氩弧熔覆原理示意图 1 电极；2 喷嘴；3 保护气体( a r ) ； 4 熔化带；5 预熔覆涂层；6 熔覆方向 f i g 1s c h e m a t i co ft h ea r g o ns h i e l d e d a r cw e i dc l a d d i n g 1 e i e c t r o d e ；2 i i l j e c t i n gn o z z l e ；3 s h i e d i n gg a s ( a r ) ； 4 f h s i o nz o n e ；5 c l a d d i n gm a t e r i a l s ；6 c o a t i n g 课题研究采用的氩弧熔覆设备是奥地利弗尼斯公司生产的 m w 3 0 0 0 型数字焊接机，亦称为钨极氩弧焊机，是气体保护焊的一 种，通常又叫作“t i g 焊，就是以氩气作为保护气体，钨极作为不 熔化极，借助钨电极与焊件之间产生的电弧，加热熔化母材实现焊 接的方法。它的电极是难熔金属钨或钨的合金棒。焊接时，电极是 不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定电极和电弧区 及熔化金属都处于氩气保护中，隔离了空气对熔化金属的有害作用， l 氧 黑龙江科技学院硕士学位论文 减少了熔池中合金元素的烧损和氧化损失。 1 2 2 氩弧熔覆技术的工艺特点 ( 1 ) 热量集中，能量密度低于压缩电弧，其热量虽然不如激光 柬高，但温度足以熔化大多数材料； ( 2 ) 在熔覆的整个过程中，电极和电弧及金属粉末都处在氩气 的保护之中，使加热、冷却过程中无氧化现象； ( 3 ) 用氩弧熔覆可实现手工操作，灵活性高，可对形状复杂的 基件进行熔覆，且可在野外进行作业。 氩弧熔覆相对于激光、电子束、等离子束等熔覆方法具有投资 和运行费用低、操作灵活并可在野外施工作业的独特优势。表1 1 所示为各种表面熔覆技术强化热源的比较。 表1 1 表面强化热源的比较2 1 j t a b l e 1 1t h ec o m p a r i s o no fs u r f a c es t r e n g t h e n i n gh e a ts o u r c e 由于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深 浅，焊接速度低，这一工艺特点也恰适合用于表面改性处理，制备 耐磨耐腐蚀或者耐高温的功能材料涂层。研究表明应用氩弧熔覆技 术制备的复合涂层可获得尺寸细小的化合物，组织致密，硬度高， 与基体实现冶金结合，具有优异的耐磨性能【2 2 1 。因此，可以用钨极 氩弧熔覆方法来制备t i b 2 t i n 增强镍基复合涂层。 1 2 3 氩弧熔覆的熔池特征 钨极氩弧焊熔池的形状、尺寸、温度、存在时间和液体金属的 流动状态，对熔池的冶金反应、结晶方向、夹杂物的数量和分布， 以及焊接缺陷( 如气孔和结晶裂纹) 的产生具有重要的影响【2 3 1 。 1 熔池的形状和尺寸 黑龙江科技学院硕士学位论文 熔池的形成需要过渡期，经过过渡期以后，进入准稳定时期， 只是熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊 接工艺条件，并随热源做同步运动。在电弧焊条件下，准稳定期熔 池的形状如图1 2 所示，其形状类似于不标准的半椭圆球，其轮廓 为等同于母材熔点的等温面。 2 熔池的温度 氩弧熔覆熔池内的温度分布是不均匀的，在熔池的前部，输入 的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。处于 电弧下面的熔池温度最高。在熔池后部，因为输入的热量小于散失 的热量，所以不断发生金属的凝固【2 4 1 。熔池的平均温度取决于母材 的性质和散热的条件。 x z 图l - 2 焊接熔池形状示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fw e l d i n gp o o l q1 2 4 氩弧熔覆技术的研究现状 目前国内外关于钨极氩弧熔覆研究的较少。国外研究中有用于 在钛合金或不锈钢表面制备耐磨损耐腐蚀涂层。s m r i d h a 等【2 5 】在钛 合金表面利用氩弧熔覆技术制备t i a l 金属间化合物t i 3 a l 、t i a l 增强 的表面涂层，研究了复合涂层的微观组织、力学性能及磨损性能， 研究表明熔覆层与基体金属之间为冶金结合，无气孔、夹杂、裂纹 等缺陷，熔覆层硬度达到h v 5 0 0 以上。s o n e rb u y t o z 【2 6 j 等在不锈钢表 面利用钨极氩弧熔覆技术获得了w c 增强的熔覆层，并对熔覆层的硬 黑龙江科技学院硕士学位论文 度及干摩擦磨损行为进行了研究，结果表明，熔覆层的微观组织与 熔覆参数有关，硬度在h v 9 5 0 h v l 2 0 0 之间，磨损失重最小； s b u y t o z i z 7 】等研究发现在低合金钢表面熔覆s i c 粉末，当粉末含量低 时，亚共晶组织为树枝晶，硬度范围从h v 5 5 0 到h v 7 5 0 ；粉末含量高 时，过共晶组织为m 7 c 3 ，硬度范围从h v 8 9 0 到h v l 2 1o 。同时重点研 究了氩弧熔覆参数对s i c 原位反应增强低合金钢的组织及显微硬度 的影响。 国内关于钨极氩弧熔覆的研究领域在铸铁表面重熔强化和低碳 钢表面熔覆自熔性合金粉末方面取得了一定的成果，有报道研究人 员采用钨极氩弧技术重熔焊接件的缺陷区域以获得“熔修”效果， 减少焊接缺陷【2 3 。3 1 】。在铸铁表面进行重熔强化的实质是对铸铁表面 进行高于f e 基体熔点的热处理工艺，重熔后的铸铁表面增加了铸铁 的白口组织，提高了重熔层的硬度和耐磨性能。 在碳钢表面利用t i g 熔覆含有多种合金元素的自熔性合金如镍 基、钴基合金，能够获得比碳钢表面硬度更高，耐磨性能更好的熔 覆强化层。刘喜明【3 2 】对氩弧熔覆技术进行了较详细的研究，在q 2 3 5 基材上用氩弧熔覆了n i 3 5 b s i c 、n i 3 5 c o 包w c 、f e c r - s i b 系合金， 获得了高硬度、高耐磨性能的熔覆层。x 射线分析表明，熔覆层主要 由丫- f e ( m e ) 、a f e ( m e ) 、c r 2 b 、m 7 c 3 、v 3 8 4 、v b 2 、m 2 3 c 6 、6 - m o t i 等相构成。进一步研究发现，熔覆层的相组成与成份有密切关系， 随着合金元素的加入，化合物相增多，熔覆层中的粗大树枝晶逐渐 减少，组织有细化的趋势。但是由于s i c + w c 是颗粒外加，在熔覆层 中没有或几乎没有s i c ，w c 颗粒，说明在熔覆过程中s i c ，w c 发生 了分解。邹增大、王新洪、宋思利【3 弘3 7 】等人用氩弧熔覆方法成功制 备出原位生成的t i c 颗粒增强f e 基复合涂层，涂层具有高硬度和高耐 磨性。此研究采用多层多道钨极氩弧熔覆技术，熔融预涂于钢基体 表面钛铁和石墨混合粉末，可以在普通碳钢表面获得综合性能优异 的复合材料表面熔覆层，硬度达到了h r c 5 7 以上，呈梯度分布特征。 王振廷，陈丽丽等p8 j 把石墨粉末预涂在钛合金表面上，利用氩 弧熔覆技术成功制备出原位自生t i c 增强的金属基复合涂层。得到的 氩弧熔覆涂层组织均匀致密，原位自生t i c 呈树枝晶和细碎的条状均 匀分布于整个涂层中。由t i c 增强的复合涂层明显的改善了钛合金的 表面硬度，平均硬度约为h v 7 0 0 且在涂层呈梯度分布。涂层在室温 l 碍 黑龙江科技学院硕士学位论文 干滑动磨损条件下的耐磨性明显优于基体，约为钛合金的1 0 5 倍。 赵国刚，王振廷，周晓辉等【”，4 0 j 在q 2 3 5 钢表面预涂t i 、b 4 c 和 f e 粉末，采用氩弧熔覆技术制备出原位自生t i c t i b 2 f e 复合涂 层，t i c 呈八面体和花瓣状，t i b 2 呈六边形和棒状。涂层与基体呈冶金 结合，随着b 4 c 含量的增加，涂层硬度也随之提高，当t i b 4 c = 3 2 时， 涂层显微硬度最高可达h v l 7 6 4 。涂层的磨损机理是粘着磨损和磨粒 磨损，在室温干滑动磨损条件下表现出了优异的耐磨损性能。 王永东等进行了利用氩弧熔覆方法制备耐磨涂层的研究【4 l - 4 4 1 。 应用m o 、s i 、n i 粉在q 2 3 5 钢表面制备m o n i s i 烈i 3 s i 金属硅化物复合 涂层，涂层的耐磨性较基体提高约1 2 倍。应用s i c 和n i 6 0 a 粉在q 2 3 5 钢表面制备n i 3 s i 复合涂层，复合涂层中组织呈枝晶状态，分布均匀， 涂层具有优异的抗磨性能。以f e 、c 和t i 粉在q 2 3 5 钢表面制备原位自 生t i c 增强f e 基复合涂层，涂层中t i c 颗粒细小，弥散分布，复合涂 层的抗磨性较高。 综上所述，目前国内外研究者制备耐磨涂层多采用激光、等离 子和高能电子束等作为热源来熔覆预涂粉末。国内有少数研究者采 用钨极氩弧熔覆技术制备复合涂层，一般局限于自熔性合金和增强 f e 基复合涂层，本文采取氩弧熔覆技术在钛合金表面进行制备增强 镍基复合涂层的研究。 1 3 钛合金 1 3 1 钛合金的特点及应用 钛合金是一种重要的金属结构材料，与其他金属结构材料相比， 具有两大优异的特性：即比强度高和耐腐蚀性能好，这也是航空航 天、化学工业等领域优先选用钛合金的原因。钛合金的密度约为 4 5 9 c m 3 ，介于铝和钢的密度之间。经过热处理，钛合金的强度极限 可达到1 5 0 0 m p a 以上，比强度约为3 3 0 ，如果要想使钢具有这样高 的比强度，则需要具有2 5 5 0 2 6 5 0 m p a 的强度极限，但是制造和在 结构中使用这样的钢，工艺技术方面还不很成熟，即使钢的强度还 能提高，锈蚀也是一个需要面临的技术问题。随着航天航空工业对 高强度低密度材料的需要，大大促进了钛合金的迅速发展和应用。 l 碍 黑龙江科技学院硕士学位论文 因为钛合金在卤化物等环境下具有比不锈钢优良的抗蚀性能，钛合 金已经作为化工设备的管、阀和类似零件的标准结构材料而被采用。 但钛合金具有较差的耐磨性能，因而机械设计师们都避免在滑动系 统中使用钛合金，但由于工况条件的限制，钛合金必须要用作与其 他偶件发生相对滑动的零件或零件的组成部分【4 5 1 。工程实践中，周 期的装卸钛合金紧固件，会造成零件的磨损，最终导致零件的报废。 同时在许多无法避免的钛合金摩擦系统中同样存在着类似的磨损现 象，因而钛合金的摩擦磨损问题引起人们研究的兴趣。 1 3 2ti6 ai4 v 合金 目前t i 一6 a 1 4 v 合金已经发展成为一种国际性的钛合金，在我国 的钛合金生产和应用中，t i 6 a 1 4 v 合金被命名为t c 4 ，它属于t i a 1 v 系典型的马氏体0 【+ p 型两相钛合金。这类合金的特点是有较好的综合力 学性能，强度高，可热处理强化。0 和d 是t c 4 合金的两个基本的相。 a 相具有密排六方品格，p 相是体心立方晶格【4 6 1 。铝是o 【相稳定元素， 在仅钛中溶解度很高，是提高p 相转变温度的元素，具有明显的固溶强 化效果。钒急剧降低钛的p 转变温度，在钛中可形成p 无限固溶体和0 【 有限固溶体，具有一定的固溶强化作用【4 7 1 。 t c 4 合金可在普通退火状态下使用，其目的是为了得到塑性好、 稳定的0 c + d 组织。在退火状态下，合金约含有7 的d 相。当从临界温 度淬火时可以保留2 5 的p 相，保留的d 相在时效过程中析出弥散的a 相。通过淬火时效，t i 6 a 1 4 v 合金的强度可以提高2 0 。3 0 。不同 温度淬火和时效对t i 6 a 1 4 v 合金机械性能产生不同的影响，一般认 为，在8 5 0 一9 5 0 进行固溶处理，水淬，并在4 5 0 6 0 0 时效，可以 获得所希望的显微组织和较好的综合性能。 因此，在钛合金要求具有抗磨损性能的工程应用中，只有经过 特殊表面改性处理后，提高其耐磨性能，改善摩擦学行为才能被使 用。目前所应用的表面改性方法主要有激光合金化，激光氮化，电 子束氮化，等离子氮化，等离子喷涂和物理气相沉积等工艺。为了 优化钛合金表面处理工艺，研究未处理合金和利用氩弧熔覆新技术 l q 黑龙江科技学院硕士学位论文 制备的复合涂层的耐磨性能和磨损机制是有必要的。 1 3 3 钛合金摩擦磨损的研究现状 由于钛合金具有较低的摩擦学性能，国内外对钛合金的摩擦磨 损研究不多，而且没有系统的理论。k e n n e t hg b u d i n s k i 【4 8 1 对前人关 于纯钛和t i 6 a 1 4 v 合金的摩擦磨损性能的研究进行的总结如下： ( 1 ) 在摩擦过程中，钛与绝大多数金属都不会发生撕脱，但会 发生严重的金属转移和磨损。这使钛合金的螺纹紧固件在工作中不 会咬卡，但螺纹会磨损。 ( 2 ) 钛合金通过阳极氧化、固体润滑涂层等方法处理后，可显 著减少磨损，钛合金容易发生微动磨损而导致失效。 ( 3 ) 钛合金具有低的磨粒磨损抗力，因此尽量避免在磨粒磨损 条件下使用。 l l e b e d e v aa n dq n p r e s n y a k o v a 【4 9 l 对真空状态下钛合金的干摩 擦机制进行了研究。试验在室温和液氮温度下进行，采用销盘对磨 的摩擦副，销采用钛合金，盘采用x l5 钢，载荷为5 0 n ，速度从 0 2 m s 到2 4 m ，s 之间变化，真空度为1 0 。5 p a 。所得结果表明：钛合 金在真空状态下存在由轻微磨损向严重磨损的转变，而这一转变与 钛合金的a d 相变有关。他们认为，在一定的滑动速度下，表面有 可能发生相变硬化，从而改变磨损机制。决定这种硬化的有两个主 要因素：即闪点温度，它应足够高以使a p 相变能够发生，以及表 层温度梯度，也要足够大以使p 专a 相变以马氏体相变机制发生。 a m o l i n a x i a g s t r a f 传l i n i a ，b t e s i a 和t b a c c i b 【5 0 】对空气中 t i 6 a 1 4 v 合金的干摩擦磨损机制进行了研究，经分析得出了如下结 论： ( 1 ) 关于钛合金的低的摩擦学属性可归因于两个主要因素：一 是低塑性剪切抗力和低加工硬化率；二是表面氧化物的保护作用很 低。 ( 2 ) 磨损率随着施加载荷的增加而增加，对于任何一个载荷， 在一个中等速度下存在一个最小的磨损率。随着载荷的增加，这个 k q 黑龙江科技学院硕士学位论文 最小值更加明显并向低速方向迁移。 ( 3 ) 磨屑的成分有很大不同并由滑动速度决定。在最低速度时 几乎所有的磨屑都是由氧化物颗粒组成；最小磨损速度时由金属颗 粒和少量氧化物碎片组成；在最高速度时只由金属碎片组成。 ( 4 ) 钛合金在干摩擦条件下，随着载荷和速度的变化，可能存 在一个由氧化磨损机制向剥层磨损机制的转变点。该点与最小磨损 速率点非常接近。 随后，q s t r a f f e l i n i 和a m o l i n a x i 【5 1 】又在相同的试验条件下，研 究了t i 6 a 1 4 v 与a i s im 2 钢对磨的干摩擦磨损行为。他们认为：在 低滑动速度时，磨损机制是氧化磨损。t i 6 a 1 4 v 与a i s im 2 对磨的 摩擦副的磨损率较t i 6 a 1 4 v 与t i 6 a 1 4 v 对磨的摩擦副高，这是因为 a i s im 2 的碳化物的犁削作用增强了氧化磨损，使之产生更多的小磨 屑。随着滑动速度的增加，两种摩擦副的磨损率都先降低，这与低 速氧化磨损理论相一致；随着滑动速度的继续增加，发生了磨损机 制的改变。当速度增加到0 8 m s 时，两种对磨副的磨损机制都是剥 层磨损。两种对磨副的磨损率随滑动速度增加出现了两种不同的趋 势：t i 6 a 1 4 v 与t i 6 a 1 4 v 对磨的摩擦副的磨损率有一个最小值，并 且在高速摩擦时磨损非常严重。而t i 6 a 1 4 v 与a i s im 2 对磨的摩擦 副的磨损率，随着滑动速度的增加持续下降。上述变化是由于在摩 擦过程中，接触表面产生了不同的温度造成的。尤其在0 8 m s 的滑 动速度的磨损率与表面温度直接对应，它显示出热力学软化作用的 重要性。随着表面温度的升高，塑性剪切量增加，磨损率也增加。 1 4 氮化钛和二硼化钛金属陶瓷研究进展 1 4 1 氮化钛( tin ) 的晶体结构及性能 t i n 属于典型的n a c l 型结构，面心立方点阵，n 原子占据面心立 方的角顶，t i 原子占据面心立方的( 1 2 ，o ，0 ) 位置，晶格常数为 o 4 2 3 8 n m 。其n 含量在一定范围内变化而不引起t i n 的结构发生变 化，晶体结构如图1 3 所示。t i n 的熔点为2 9 5 0 ，硬度为h v19 9 4 ， 是具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震、密度低且硬度高等优异 l 增 黑龙江科技学院硕士学位论文 性能的新型陶瓷材料，主要应用在耐高温、耐磨损及航空航天等领 域，如硬质合金、高温陶瓷导电材料、耐热耐磨材料等5 2 1 。 图l - 3t i n 的晶体结构 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo fu n i tc e l lf o rt i n 1 4 2 二硼化钛( tib ：) 的晶体结构及性能 黑为n 白为t i 二硼化钛( t i b 2 ) 是硼和钛最稳定的化合物，为c 3 2 型六方结构，空 间群为p 6 m 3 ，属六方晶系的准金属化合物。晶体结构如图1 4 d 3 1 所 示，其完整晶体的晶格结构参数：a = o 3 0 2 8 n m ，c = o 3 2 2 8 n m 。t i b 2 陶瓷是一类具有特殊物理性能的陶瓷，由于它具有极高的熔点 ( 3 2 2 5 ) 、高的化学稳定性、高的硬度( h v 4 0 0 0 ) 和优异的耐磨性，作 为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件而广泛地应用。 图1 4t i b 2 的晶体结构 f i g 1 4s t r u c t u r eo fu n i tc e l lf o rt i b 2 - l o 黑为b 白为t i 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 4 3 氮化钛和二硼化钛金属陶瓷涂层制备技术 研究发现在t i n 涂层基础上发展起来的多元以及多层复合涂层， 性能远优于单一的t i n 涂层。因此t i n 涂层及复合涂层的制备方法 与性能的研究一直是研究者们关注的焦点。韩修训、阎鹏勋等介绍 用磁过滤阴极弧等离子体沉积装置( f c a p ) 上制备t i n 涂层。采用 f c a p 方法制备的t i n 涂层具有更高的硬度和结合力，研究表明涂层 表现出较低的摩擦系数和良好的耐磨性能【5 4 】。 刘燕燕，张庆瑜等人用电弧离子镀方法，通过对独立的t i 靶和 c r 靶的弧电流进行控制，成功地在高速钢( h s s ) 基体上制备了不同成 分配比t i n c r 薄膜，提高了t i n c r 涂层的致密度，增强了涂层的耐 磨耐蚀性【55 1 。 刘建平，傅正义等利用s h s q p 技术制备了( t i b 2 + f e ) f e 梯度材 料【5 6 】。研究发现，f e 与t i b 2 具有较好的相容性，其相互固溶性很低。 隗晓云等1 57 】在q 2 3 5 钢表面辉光合成t i n t i b 2 复合渗镀层，其表面 由均匀、致密、细小的胞状物组成，镀层耐磨性较好。 制备t i n 、t i b 2 复合材料可以采用多种工艺制备方法，其中最 主要的有粉末冶金法、过渡塑性相工艺( t p p p ) 技术、自蔓延高温 合成( s h s ) 技术、放电等离子烧结( s p s ) 技术、高能球磨技术等。 1 4 4 氮化钛和二硼化钛陶瓷涂层原位反应合成法 原位反应合成金属基复合材料是通过熔覆材料合金粉末之间的 化学反应在金属基体上制备的陶瓷涂层。原位反应合成法与外加颗 粒法，有下列优点【5 8 ，5 9 l ： 1 省去第二相预先合成步骤。一般说来，在预先合成第二相的 化学反应，可以通过某种途径直接引入基体中，利用原位反应合成 来进行，这样工艺过程得到了简化。 2 可以获得颗粒细小，分布均匀的第二相。这种反应物均匀分布 在基体中，经过反应生成的第二相细小、均匀，并且难以聚集长大。 比起预先合成的第二相来说，一般可以更容易的获得超细高纯的原 位反应物粉末。 3 改善两相界面结合状况。复合陶瓷材料中两相界面的结合状况 将明显影响材料的力学性能。预先合成的非氧化物第二相，其表面 k q 黑龙江科技学院硕士学位论文 常带有氧化层或其它杂质，致使复合材料中两相界面常含有非晶层， 这对材料的高温性能不利。而原位合成的第二相是在基体中反应生 长而成的，两相界面将更加清洁，有利于改善复合陶瓷材料力学性 能，提高强度和疲劳、蠕变抗力。 综上所述，t i b 2 、t i n 具有高硬度、高熔点、高导电率、耐冲击、 高温稳定性好、密度低等一系列优点，本文利用氩弧熔覆在钛合金 表面原位合成制备t i b 2 、t i n 陶瓷复合涂层，既可以提高局部耐磨性 能，又可以降低成本，是比较理想的的表面改性方法。 1 5 课题研究的目的、主要内容及技术路线 1 5 1 课题研究目的 本课题研究的目的是选择适宜的熔覆材料组分和氩弧熔覆工 艺，在t c 4 合金表面制备良好冶金结合的t i b 2 t i n 复合涂层，以提 高t c 4 合金的摩擦磨损性能。 1 5 2 课题研究主要内容 ( 1 ) 熔覆材料组分及熔覆工艺参数的选择熔覆材料及组分的选 择不仅要满足复合涂层使用性能的要求，而且必须考虑熔覆材料与 基体材料的结合性能。基于上述原因，本文选用了b n + n i 6 0 a 粉末 在t c 4 合金表面氩弧熔覆原位合成t i b 2 t i n 复合涂层，通过对不同 材料组分氩弧熔覆层的宏观、微观质量及性能的分析研究，选择出 适宜的氩弧熔覆工艺参数。 ( 2 ) 氩弧熔覆复合涂层的显微组织结构研究对不同的氩弧熔覆 工艺参数所制备的涂层进行显微组织分析，讨论工艺参数对显微组 织的影响，分析增强相t i b 2 和t i n 的形成机理。 ( 3 ) 氩弧熔覆复合涂层的摩擦磨损性能研究在测试、对比钛合 金表面复合涂层和钛合金基体摩擦磨损性能的基础上，分析氩弧熔 覆复合涂层摩擦磨损性能提高的原因和涂层的磨损机理。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 5 3 技术路线 本文研究的技术路线如图1 5 所示。 图1 5 技术路线示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i c d ia j 目_ 锄o f t e c h n i q u ew a y 1 3 k 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章试验材料及试验方法 2 1 试验材料 2 1 1 基体材料 本试验采用陕西宝鸡奥德稀有金属公司生产的t c 4 钛合金作为 基体材料。表2 1 列出t c 4 合金的化学成分，生产的t c 4