钛合金表面激光熔覆改性技术课稿.ppt

钛合金表面激光熔覆改性技术 2015-01-20 * 激光熔覆技术 原理：在基材表面选择合适的涂层材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面极稀薄层同时熔化，并快速凝固后表面涂层，从而显著改善基材表面特性的工艺方法。 特点： 可以在工件表面制备高性能涂层，进行单层或多层熔覆，涂层厚度不受限制 冷却速率高，熔覆层可以获得细晶组织 熔覆效率比较高，单道熔覆层厚度可以超过1mm 可以实现局部的精密熔覆和修复，减少后续加工 熔覆层的成分和性能不受基体材料的影响。 激光熔覆热影响区小，不会破坏工件的力学性能 激光熔覆技术原理图 钛合金激光熔覆材料分类 * 陶瓷 包括氮化物，碳化物，氧化物等，例如TiN，SiC，Al2O3，BN，TiB等。陶瓷材料常被用于钛合金激光熔覆涂层，可以获的很好的耐磨性以及良好的高温性能。其缺点是陶瓷相很脆，易产生缺陷，采用预置粉法，有时很难得到均匀的涂层。 金属或合金 现在已经很少使用单纯的金属或者合金作为熔覆层材料了。其中Ni基合金，Fe基合金，Co基合金被广泛使用。尤其是Ni基合金具有很好的高温耐磨耐蚀性能，并且很容易和基体结合。 复合材料 激光熔覆技术最常采用的材料，分为陶瓷基复合材料和金属基复合材料。一般使用金属或合金作为基体，把硬质的陶瓷相颗粒粘结在一起，起到弥散强化的作用。常用的有Ti–TiC，Al–TiC ， Ti–Al–B4C，Ti + Ni + B4C等，在激光熔覆时原位生成TiC, TiB, TiNi, Ti2Ni等强化相。 某些添加剂 稀土元素，例如Y，Ce，La具有独特的物理和化学性质，常被用作激光熔覆的添加剂。稀土元素可以起到细化晶粒的作用，还可以提高熔体流动性，有利于熔渣的排除。氧化钇稳定氧化锆（YPSZ）也常被用来作为添加剂来抑制裂纹的产生。 钛合金在应用中存在的一些问题 * 耐磨性能 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。但是，由于钛合金硬度较低（约360HV），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，限制了它在运动构件上的应用。 耐蚀性能和抗氧化性能 Ti是一种很活泼的金属，在常温下钛合金表面会有一层致密的氧化膜起到保护的作用，但是在高温下，氧化膜会失去保护的作用，导致钛合金构件因为氧化腐蚀而失效。 生物相容性 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。但是纯Ti的机械强度较低，也不耐磨，为了提高Ti的机械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但这是以牺牲其生物相容性为代价的。这些合金元素会缓慢的释放，对人体造成影响。 提高耐磨性能——激光熔覆合成自润滑耐磨涂层 * 自润滑耐磨涂层：在熔覆层中包含一定量的固体润滑材料，如WS2，MoS2。这些材料具有很低的剪切强度，在摩擦条件下容易发生滑移，形成光滑的薄片，在中间起到润滑的作用。 基材：Ti-6Al-4V 熔覆材料： NiCr/Cr3C2–30%WS2 使用1.5KwCO2激光器，光斑直径4mm，扫描速率6mm/s，N2作为保护气 得到结合良好的熔覆层 提高耐磨性能的手段： 提高材料表面硬度 提高表面光洁度 采用润滑剂 采用TiN，SiC等陶瓷涂层虽然可以获得很高的表面硬度，但是其摩擦系数一般也较高，这会导致摩擦时产生高温，高接触应力，不利于耐磨性能的提高。 * 熔覆层组成为：γ-NiCrAlTi/TiC + TiWC2/CrS + Ti2CS 其中γ-NiCrAlTi 为柔软的基体相，TiC + TiWC2为高硬度的碳化物相， CrS + Ti2CS，为弥散分布的硫化物，起到固体润滑的作用 激光熔覆合成自润滑耐磨涂层 熔覆层硬度在1000HV以上，远远高于基体材料（360HV） 得益于大量的碳化物TiC + TiWC2弥散分布起到强化作用 * 激光熔覆合成自润滑耐磨涂层 20℃下磨损形貌，左边基材，右边熔覆层 使用直径4mm的Si3N4陶瓷球，加载力5N，磨损40min。 熔覆层的摩擦系数比基体低很多，相应的磨损量也低很多 随着温度升高钛合金摩擦系数降低，这是由于生成的氧化膜降低了表面的摩擦系数导致。 随着温度升高熔覆层摩擦系数先下降再上升 钛合金的磨损机理为塑性变形，显微切削 熔覆层的磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损 提高抗氧化性能——激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层 基材： Ti–6Al–4V 粉末：使用纯度达99.5%的高纯粉末，考虑到某些元素易损失，使用比为Ti:V:Cr:Al:Si=6:13.9:11.5:11:8(wt.%)的粉末，来实现等摩尔比的熔覆。 激光功率 2KW（C