Ti6A14V合金表面激光沉积复合涂层的组织和性能.pdfVIP

第 25卷第 1O期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．25，No．10 2013年 1O月 HIGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAM S Oct．。2013 文章编号 ： 1001—4322(2013)10—2723—06 Ti6AI4V合金表面激光沉积复合涂层的组织和性能 杨 光， 王 维，钦兰云， 卞宏友 (沈 阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈 阳 110136) 摘 要 ： 为了增强 Ti6Al4V钛合金 的耐磨性，采用激光沉积制造方法在其表面上制备 了以原位生成 的 TiC颗粒和直接添加的WC颗粒为增强相 的耐磨涂层 ，观察 了各涂层 的微观组织，并测量了涂层 的显微硬度和 涂层在室温大气条件下的摩擦磨损性能。结果表明各涂层和基体呈现冶金结合，原位 自生的TiC和部分熔化 的WC颗粒均能够均匀弥散分布于基体上 ，由于增强相颗粒 的弥散强化及激光沉积组织的细晶强化作用 ，基材 的硬度和耐磨性均得到了提高 。原位 自生的TiC涂层 比WC涂层硬度梯度分布平缓，但耐磨性稍差 。 关键词 ： 激光沉积成形 ； 钛合金 ； 碳化钨 ； 碳化钛 ； 磨损 ； 复合涂层 中图分类号 ： TG665 文献标志码 ： A doi：10．3788／HPLP2723 由于 Ti6A14V钛合金 (TC4)摩擦系数高、室温和高温耐磨性差等缺点，限制 了其作为工业重要结构材料 的应用 ，尤其是在摩擦构件上的使用 。研究表明通过改进其熔炼技术或改变化学成分 的方法来提高其使用性 能存在很大 困难 ，而采用先进的表面工程技术直接在钛合金表面上制备具有优异耐磨功能、与钛合金零件基材 之间为牢固冶金结合的特殊材料冶金涂层 ，无疑是解决问题的有效方法[1]，于是采用离子注人、热喷涂和激光 熔覆、激光熔注等技术成为近年来的研究热点|411lI。激光熔覆技术由于能量密度高、热影响区小等优点已经普 遍用于制备金属陶瓷复合涂层材料，将金属的强韧性和陶瓷优异的耐磨 、耐蚀性能有机结合 ，显著提高材料的 耐磨性能[1。 。但是颗粒熔化和复合涂层开裂倾向大是 目前存在 的主要 问题。虽然通过优化工艺参数、基板 预热、添加稀土元素和施加外场等方法可以改善开裂等问题 ，但是未从本质上解决问题 ，而控制成分梯度变化 被证 明是解决开裂的一种有效 的手段[1。 。而激光沉积成形技术是基于激光熔覆技术和快速成形技术，可通 过精确控制两种或多种材料粉末的同轴输送实现材料组成、微观组织结构和性能的梯度分布 ，避免传统技术制 备的涂层存在明显 的界面，易发生剥落损伤的缺点口 。 为了改进 Ti6A14V钛合金的耐磨性 ，许多学者进行了相关研究工作 ，其 中广泛研究和应用的复合材料层 主要有碳化物陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷及金属化合物等，SiC，TiC，A1O。，TiB。，WC等高硬度陶瓷相 的应用 ，使涂层的耐磨性得到了很大的提高 。文 中基于激光沉积成形技术采用直接添加 WC和原位 自生 TiC 两种方式生成颗粒增强复合涂层 ，同时为 了减少涂层开裂的可能性 ，采用双通道送粉梯度添加 陶瓷材料的方 式 ，这样就集中了激光熔覆和激光金属快速成形二者的特点。对耐磨涂层的显微组织和增强相颗粒分布进行 了分析，对 比测试了两种耐磨涂层的室温干滑动摩擦磨损性能，并进一步分析 了涂层强化机制。 1 实 验 1．1 实验材料与设备 基体材料选用 Ti6A14V合金 ，试样尺寸为 100mm×60mm×30mm，实验前用砂纸打磨掉氧化层 ，用丙 酮清洗去除表面油污及杂质。试验用材料为两组 ：(1)球形 Ti6A14V粉 (粒度为 44～100 m)、Ti粉末 (粒度为 44～100 m)和Cr3C。(粒度为30~50 m)粉末 ，将 Ti6A14V粉及Ti和Cr。C。混合粉末 (两者质量比符合原位 生成 TiC化学方程式)分别放人送粉器的两个料仓 ；(2)球形 Ti6A14V粉 (粒度为 44～100 m)和 WC粉末 (粒度为 40～110 m)也分别放人送粉器 的两个料仓 。根据前期 的涂层材料优化设计结果[1，通过控制不 同 粉仓的送粉速率 ，使各沉积层组分按一定规律改变 ，Cr。C ／wc的质量