激光熔覆的研究

激光熔覆的研究

0高功率跨境表面改性技术激光焊接技术是指在被涂层的死磁体表面上放置不同材料的涂层材料，通过激光辐射和精炼形成适合基底表面的稀土层，并将其形成一个低稀释度的涂层，并将甲基材料与金属结合，显著改善了基质材料表面的耐碱性、耐候性和耐候性。激光熔覆是一种新型的金属材料表面改性技术,利用高功率激光的快速熔覆效应,可以在低成本基体表面获得高性能的涂层。因此,是一种经济效益较高的表面改性技术,可以降低材料成本,节约贵重稀有金属材料。国内激光熔覆的研究始于70年代初,到80年代已发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题。进入90年代后,呈现出了科学研究与应用开发蓬勃发展的大好局面。将近年来国内外有关激光熔覆改善钛合金表面耐磨性的几种具体方法进行简单介绍,并就今后激光熔覆技术的发展方向作一展望。1钛合金材料的特性钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点,是航天、航空、汽车、船舶和化工等部门中广泛使用的结构材料。近年来,随着生物医用材料的发展,钛合金更加显示了它的优越性。钛合金具有较好的生物组织相容性和很高的比强度,是制备人工骨骼比较理想的材料。但是,由于钛的化学活性高、导热性能差,当用在摩擦部位时,易产生磨损而失效,这就阻碍了钛合金的广泛使用,限制了它在摩擦构件上的应用。天津工业大学的孙荣禄等采用9kWCO2激光器在TC4合金表面获得了与基底结合良好的TiC-NiCrBSi合金涂层,并对熔覆层的摩擦磨损性能进行了分析和测试。1.1磨损性能比较将多道搭接激光熔覆试样表面磨削加工至Ra=0.2,与YG8B硬质合金进行摩擦磨损试验。摩擦工作参数为:法向载荷N=50N,滑动速度v=0.8m/s,滑动距离L=500m。用感量为10-5g的分析天平测量磨损失重量Δm,并依此计算磨损率I(I=Δm/L)。表1列出了TiC-NiCrBSi激光熔覆层在大气和真空(P=10-5Pa)环境中的摩擦磨损性能数据,为了比较,同时给出了TC4钛合金的摩擦磨损性能数据。从表中可见,激光熔覆层在大气环境中的摩擦系数在0.3～0.4之间,在真空环境中的摩擦系数在0.4～0.5之间,均低于TC4合金在大气和真空环境中的摩擦系数。熔覆层在大气环境中的磨损率比TC4合金降低约一个数量级,在真空环境中的磨损率比TC4合金降低约1倍。由此可见,TiC-NiCrBSi激光熔覆层不仅具有较低的摩擦系数,而且具有较高的耐磨性能。1.2层的强化机制和分析1.2.1未熔tic颗粒与熔覆层基线的结合图1为激光熔覆层抛光表面形貌原子力显微镜照片。由于TiC颗粒的硬度远高于熔覆层基体NiCrBSi合金的硬度,TiC颗粒显露在熔覆层抛光表面,其中尺寸较大的颗粒为未熔TiC颗粒,尺寸较小的颗粒为液析TiC颗粒。从图中可以看出,未熔TiC颗粒和液析TiC颗粒均匀地分布在熔覆层中,在抛光表面上未发现TiC颗粒的剥落现象,表明TiC颗粒与熔覆层基体结合牢固。熔覆层中与基体结合牢固且均匀分布的TiC颗粒起到了弥散强化质点的作用,构成了对熔覆层基体具有保护作用的骨架,有效地降低了熔覆层基体的磨损。1.2.2共晶-ni固溶体的成分图2为激光熔覆层基体组织的透射电镜照片。从图中可以看出,熔覆层基体组织由树枝状初晶和共晶组成。选区电子衍射分析表明,枝状初晶为γ-Ni固溶体,共晶由γ-Ni固溶体和M23(CB)6相组成。TEMEDX分析表明,初晶γ-Ni固溶体的成分为(除C、B元素以外,质量分数%):64.6%Ni,5.1%Cr,2.5%Si,18.5%Fe,8.2%Ti,1.1%Al。共晶γ-Ni固溶体的成分为:66.3%Ni,2.0%Cr,9.5%Si,3.8%Fe,18.4%Ti。可见,γ-Ni固溶体中不仅含有Cr、Fe、Si等元素,还含有Ti元素,且其含量大大超过了平衡溶解度。这是由于激光熔覆的冷却速度极快,高温时溶解在Ni基合金熔体中的Ti元素,在冷却过程中来不及析出,固溶在γ-Ni中,形成了扩展固溶体。因此,必然造成显著的固溶强化作用。此外,从图中还可看出,共晶组织十分细小,层片间距在30~40nm之间,必然引起晶界或相界强化,对提高熔覆层的强韧性十分有利。由上述分析可以看出,熔覆层中存在颗粒强化、固溶强化和细晶强化等多种强化作用,使熔覆层具有极高的耐磨性能。2复合材料涂层颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)是近年来材料研究领域的热点之一。钛合金具有较高的室温和高温比强度,低密度、高弹性模量等特性,加入高强度、高刚度的增强相后使其性能更加优异,因此,钛基复合材料(TMCs)已成为超音速宇航飞行器和新一代先进航空发动机的候选材料,并获得迅速发展。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。如Molian等人在Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆BN-NiCrCoAlY涂层,激光熔覆层的硬度HV在800~1200之间,磨损率比时效硬化和激光熔凝的钛合金降低1~2个数量级。目前陶瓷颗粒增强钛基复合材料的制备基本采用两种方法:外加颗粒法和原位合成法,后者由于新生成的增强相晶体完整性好,表面无污染,与基体结合良好,有助于获得性能优良的复合材料,而日益受到人们的重视。2.1冲击磨粒磨损性能在Ti-6A1-4V表面通过激光熔覆工艺原位合成TiC/Ti金属基复合材料涂层,其基体组织结构随表层预置合金粉末成分的变化而改变。采用单摆划痕装置测试原位合成TiC/Ti复合材料涂层的冲击磨粒磨损性能。结果表明,与基材Ti-6A1-4V相比复合材料激光熔覆层的抗冲击磨粒磨损性能提高了2倍,且随表层预置粉末中Cr3C2含量的增加,反应生成的TiC含量增加,涂层抗冲击磨料磨损性能提高。2.2roren号强化机制引起的强度增量研究表明,摩擦功与材料的磨粒磨损行为有很好的对应关系,其材料的比能耗随划痕体积的变化情况见图3。由图3可以看出,复合材料熔覆层的抗冲击磨粒磨损性能均好于基材Ti-6A1-4V。研究表明,复合材料中颗粒对基体的强化主要是通过Orowan机制实现的,由Orowan强化机制引起的强度增量可由下式计算:式中,G为复合材料基体的剪切模量;b为位错的Burge矢量;为与Poisson比有关的常数;d为粒子直径,mm;L为在一个滑移面内的粒子间距,mm。在磨损过程中,TiC/Ti复合材料中的TiC颗粒可显著地减小位错运动的自由程,使得位错在变形过程中,需要克服相当大的阻力,才能绕过颗粒而运动;熔覆层整体强度、硬度的提高,使之抵抗切削能力增强;此外TiC颗粒对表层合金塑性变形起到较大的限制作用,同时颗粒本身也有抵抗划头切入的能力。然而,塑性也是影响材料抗冲击磨损性能的一个重要因素,90Til0Cr3C2复合材料基体为单相β-Ti,具有良好的强韧性,从而使其抗冲击磨粒磨损性能优于95Ti-5Cr3C2激光熔覆层。3纳米陶瓷复合涂层的制备近年来,为了提高钛合金的耐磨性,人们已采用了多种表面改性措施,如化学热处理、气相沉积、离子注入等方法。大功率激光器的出现,为材料表面改性提供了新的手段,亦为金属表面陶瓷化开辟了新的途径。一般来说,金属材料塑性好,但在高温下易氧化和蠕变,陶瓷材料脆性大,但耐磨、耐蚀和耐高温性能好。因此,在金属材料表面制备一层陶瓷涂层,将是金属材料的强韧性和陶瓷材料的优异耐磨、耐蚀和耐高温性能的理想结合。同时陶瓷涂层的出现,克服了陶瓷材料加工困难的缺点,扩展了陶瓷材料的应用范围。由于钛合金耐磨性能差,极大地限制了其在工程上的应用范围,人们利用激光熔覆技术来提高其耐磨性。此方面研究在国内外已有报道[21,22,23,24,25,26]。张松等人以Cr3C2与Ti的混合粉为原料,利用激光熔覆技术在钛合金表面原位生成了TiC增强复合涂层。但利用原位生成的方法制备的Ti+TiC复合涂层,其增强体TiC的含量相对较少。武万良等人选用Ti粉和TiC粉为熔覆材料,采用大功率CO2激光器,对航天、航空工业中广泛使用的Ti-6Al-4V合金进行了激光熔覆金属陶瓷涂层的试验研究,利用外加TiC的方法制备Ti+TiC复合涂层,在Ti-6Al-4V合金表面获得良好冶金结合的激光熔覆层,为提高钛合金表面的耐磨性能提供一条有效的途径。3.1不同冷却速度对钛合金铸件细晶强化的影响为研究Ti+33%TiC激光熔覆层的强化机制,武万良等人还对纯Ti粉激光熔覆层进行了研究。Ti-6Al-4V合金表面Ti+33%TiC激光熔覆层和纯Ti粉激光熔覆层沿熔覆层层深方向的显微硬度变化曲线见图4。从图4可以看出,用纯Ti粉进行激光熔覆试验,所获得的熔覆层的硬度明显高于基体,说明熔覆层中的Ti相也获得了强化。由于激光熔覆是个快速加热和冷却的过程,其加热和冷却速率可达到(105~109)℃/s。在如此高的冷却速度下,熔覆层中的Ti将形成细小的马氏体组织。虽然钛合金中马氏体组织的强度并不高,但由于在激光熔覆过程中所获得的马氏体组织非常细小,达到了细晶强化的效果,从而使其强度明显增高。从图4中还可看出,当熔覆层材料为Ti+33%TiC时,由于TiC的添加,使熔覆层的硬度进一步提高,最高硬度达1080HV0.2,从而得到更加明显的表面强化效果。这是由于激光熔覆的极高冷却速度为表面熔化层和基体之间提供了极大的温度梯度,从而为TiC的析出提供了极大的过冷度,有利于得到超细TiC的晶粒,产生细晶强化效应。另外,在激光熔覆过程中,TiC颗粒全部溶解在Ti液相中,在随后冷却过程中以树枝晶形式析出,形成网络状结构,构成了承载的骨架。而Ti相填充在TiC树枝晶间隙中,起到连接和传递载荷的作用。由于TiC硬度HV较高(约3000),而其周围的基体相较软,形成软基体上弥散分布细小硬质点的弥散强化效果。所以,Ti+33%TiC激光熔覆层的强化机制为细晶强化和弥散强化,其强化作用对改善Ti-6Al-4V合金的耐磨性能将是有利的。3.2复合涂层的结构为了提高钛合金的干滑动磨损耐磨性能,刘元富、王华明等人以Ti-Si-Ni混合合金粉末为原料对BT9钛合金进行激光熔覆处理,制备出以金属间化合物Ti5Si3为耐磨增强相的快速凝固“原位”耐磨复合涂层,利用金相、SEM、XRD等技术分析了涂层的成分及显微组织结构,在室温干滑动磨损试验条件下测试了涂层的耐磨性。结果表明:涂层中Ti5Si3初生相均匀分布于NiTi2-β-Ti5Si3共晶基体上,整个涂层组织均匀、致密、无气孔、无裂纹;涂层与钛合金基材形成了良好的冶金结合,涂层具有很高的硬度,在室温干滑动磨损试验条件下具有优异的耐磨性能。4激光熔覆技术的发展趋势激光熔覆作为一种先进的表面改性技术,在表面改性领域已显示出了质量和效率上的优势,是国内外研究和开发的重要方向之一激光熔覆技术在许多方面已取得大量的成果有的成果还已经转化为生产力,目前激光熔覆仍需作进一步的研究。1)激光熔覆过程数值模拟以及激光熔覆过程的超常物理场问题的研究,包括三维温度场模拟的进一步发展、激光熔覆组织的预测与控制模型、熔覆层的力学特性研究等,以进一步揭示激光与物质相互作用机理。2)在“21世纪的再制造工程”发展中,激光熔覆再制造的相关技术与理论研究将成为新的时代要求,并使该项技术由表面改性技术进一步发展成为集表面改性、维修、再制造于一体的具有绿色特征的表面技术。3)开展熔覆材料设计理论研究工作。研究激光熔覆合金设计的相关理论、建立设计模型与设计检验准则模型,为激光熔覆提供能适应快速凝固与摩擦学系统需求的熔覆合金材料体系。4)材料零件