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術(shù)激光焊接技術(shù)是指在被涂層的死磁體表面上放置不同材料的涂層材料，通過激光輻射和精煉形成適合基底表面的稀土層，并將其形成一個(gè)低稀釋度的涂層，并將甲基材料與金屬結(jié)合，顯著改善了基質(zhì)材料表面的耐堿性、耐候性和耐候性。激光熔覆是一種新型的金屬材料表面改性技術(shù),利用高功率激光的快速熔覆效應(yīng),可以在低成本基體表面獲得高性能的涂層。因此,是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的表面改性技術(shù),可以降低材料成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料。國(guó)內(nèi)激光熔覆的研究始于70年代初,到80年代已發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光等領(lǐng)域的前沿性課題。進(jìn)入90年代后,呈現(xiàn)出了科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)蓬勃發(fā)展的大好局面。將近年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)激光熔覆改善鈦合金表面耐磨性的幾種具體方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,并就今后激光熔覆技術(shù)的發(fā)展方向作一展望。1鈦合金材料的特性鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn),是航天、航空、汽車、船舶和化工等部門中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料。近年來,隨著生物醫(yī)用材料的發(fā)展,鈦合金更加顯示了它的優(yōu)越性。鈦合金具有較好的生物組織相容性和很高的比強(qiáng)度,是制備人工骨骼比較理想的材料。但是,由于鈦的化學(xué)活性高、導(dǎo)熱性能差,當(dāng)用在摩擦部位時(shí),易產(chǎn)生磨損而失效,這就阻礙了鈦合金的廣泛使用,限制了它在摩擦構(gòu)件上的應(yīng)用。天津工業(yè)大學(xué)的孫榮祿等采用9kWCO2激光器在TC4合金表面獲得了與基底結(jié)合良好的TiC-NiCrBSi合金涂層,并對(duì)熔覆層的摩擦磨損性能進(jìn)行了分析和測(cè)試。1.1磨損性能比較將多道搭接激光熔覆試樣表面磨削加工至Ra=0.2,與YG8B硬質(zhì)合金進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦工作參數(shù)為:法向載荷N=50N,滑動(dòng)速度v=0.8m/s,滑動(dòng)距離L=500m。用感量為10-5g的分析天平測(cè)量磨損失重量Δm,并依此計(jì)算磨損率I(I=Δm/L)。表1列出了TiC-NiCrBSi激光熔覆層在大氣和真空(P=10-5Pa)環(huán)境中的摩擦磨損性能數(shù)據(jù),為了比較,同時(shí)給出了TC4鈦合金的摩擦磨損性能數(shù)據(jù)。從表中可見,激光熔覆層在大氣環(huán)境中的摩擦系數(shù)在0.3～0.4之間,在真空環(huán)境中的摩擦系數(shù)在0.4～0.5之間,均低于TC4合金在大氣和真空環(huán)境中的摩擦系數(shù)。熔覆層在大氣環(huán)境中的磨損率比TC4合金降低約一個(gè)數(shù)量級(jí),在真空環(huán)境中的磨損率比TC4合金降低約1倍。由此可見,TiC-NiCrBSi激光熔覆層不僅具有較低的摩擦系數(shù),而且具有較高的耐磨性能。1.2層的強(qiáng)化機(jī)制和分析1.2.1未熔tic顆粒與熔覆層基線的結(jié)合圖1為激光熔覆層拋光表面形貌原子力顯微鏡照片。由于TiC顆粒的硬度遠(yuǎn)高于熔覆層基體NiCrBSi合金的硬度,TiC顆粒顯露在熔覆層拋光表面,其中尺寸較大的顆粒為未熔TiC顆粒,尺寸較小的顆粒為液析TiC顆粒。從圖中可以看出,未熔TiC顆粒和液析TiC顆粒均勻地分布在熔覆層中,在拋光表面上未發(fā)現(xiàn)TiC顆粒的剝落現(xiàn)象,表明TiC顆粒與熔覆層基體結(jié)合牢固。熔覆層中與基體結(jié)合牢固且均勻分布的TiC顆粒起到了彌散強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)的作用,構(gòu)成了對(duì)熔覆層基體具有保護(hù)作用的骨架,有效地降低了熔覆層基體的磨損。1.2.2共晶-ni固溶體的成分圖2為激光熔覆層基體組織的透射電鏡照片。從圖中可以看出,熔覆層基體組織由樹枝狀初晶和共晶組成。選區(qū)電子衍射分析表明,枝狀初晶為γ-Ni固溶體,共晶由γ-Ni固溶體和M23(CB)6相組成。TEMEDX分析表明,初晶γ-Ni固溶體的成分為(除C、B元素以外,質(zhì)量分?jǐn)?shù)%):64.6%Ni,5.1%Cr,2.5%Si,18.5%Fe,8.2%Ti,1.1%Al。共晶γ-Ni固溶體的成分為:66.3%Ni,2.0%Cr,9.5%Si,3.8%Fe,18.4%Ti?？梢?γ-Ni固溶體中不僅含有Cr、Fe、Si等元素,還含有Ti元素,且其含量大大超過了平衡溶解度。這是由于激光熔覆的冷卻速度極快,高溫時(shí)溶解在Ni基合金熔體中的Ti元素,在冷卻過程中來不及析出,固溶在γ-Ni中,形成了擴(kuò)展固溶體。因此,必然造成顯著的固溶強(qiáng)化作用。此外,從圖中還可看出,共晶組織十分細(xì)小,層片間距在30~40nm之間,必然引起晶界或相界強(qiáng)化,對(duì)提高熔覆層的強(qiáng)韌性十分有利。由上述分析可以看出,熔覆層中存在顆粒強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化作用,使熔覆層具有極高的耐磨性能。2復(fù)合材料涂層顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(PTMCs)是近年來材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。鈦合金具有較高的室溫和高溫比強(qiáng)度,低密度、高彈性模量等特性,加入高強(qiáng)度、高剛度的增強(qiáng)相后使其性能更加優(yōu)異,因此,鈦基復(fù)合材料(TMCs)已成為超音速宇航飛行器和新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料,并獲得迅速發(fā)展。激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合涂層將陶瓷材料的高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性和金屬材料的高延性、高強(qiáng)度有機(jī)地結(jié)合在一起,可以顯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涂層,激光熔覆層的硬度HV在800~1200之間,磨損率比時(shí)效硬化和激光熔凝的鈦合金降低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。目前陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備基本采用兩種方法:外加顆粒法和原位合成法,后者由于新生成的增強(qiáng)相晶體完整性好,表面無污染,與基體結(jié)合良好,有助于獲得性能優(yōu)良的復(fù)合材料,而日益受到人們的重視。2.1沖擊磨粒磨損性能在Ti-6A1-4V表面通過激光熔覆工藝原位合成TiC/Ti金屬基復(fù)合材料涂層,其基體組織結(jié)構(gòu)隨表層預(yù)置合金粉末成分的變化而改變。采用單擺劃痕裝置測(cè)試原位合成TiC/Ti復(fù)合材料涂層的沖擊磨粒磨損性能。結(jié)果表明,與基材Ti-6A1-4V相比復(fù)合材料激光熔覆層的抗沖擊磨粒磨損性能提高了2倍,且隨表層預(yù)置粉末中Cr3C2含量的增加,反應(yīng)生成的TiC含量增加,涂層抗沖擊磨料磨損性能提高。2.2roren號(hào)強(qiáng)化機(jī)制引起的強(qiáng)度增量研究表明,摩擦功與材料的磨粒磨損行為有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其材料的比能耗隨劃痕體積的變化情況見圖3。由圖3可以看出,復(fù)合材料熔覆層的抗沖擊磨粒磨損性能均好于基材Ti-6A1-4V。研究表明,復(fù)合材料中顆粒對(duì)基體的強(qiáng)化主要是通過Orowan機(jī)制實(shí)現(xiàn)的,由Orowan強(qiáng)化機(jī)制引起的強(qiáng)度增量可由下式計(jì)算:式中,G為復(fù)合材料基體的剪切模量;b為位錯(cuò)的Burge矢量;為與Poisson比有關(guān)的常數(shù);d為粒子直徑,mm;L為在一個(gè)滑移面內(nèi)的粒子間距,mm。在磨損過程中,TiC/Ti復(fù)合材料中的TiC顆粒可顯著地減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的自由程,使得位錯(cuò)在變形過程中,需要克服相當(dāng)大的阻力,才能繞過顆粒而運(yùn)動(dòng);熔覆層整體強(qiáng)度、硬度的提高,使之抵抗切削能力增強(qiáng);此外TiC顆粒對(duì)表層合金塑性變形起到較大的限制作用,同時(shí)顆粒本身也有抵抗劃頭切入的能力。然而,塑性也是影響材料抗沖擊磨損性能的一個(gè)重要因素,90Til0Cr3C2復(fù)合材料基體為單相β-Ti,具有良好的強(qiáng)韌性,從而使其抗沖擊磨粒磨損性能優(yōu)于95Ti-5Cr3C2激光熔覆層。3納米陶瓷復(fù)合涂層的制備近年來,為了提高鈦合金的耐磨性,人們已采用了多種表面改性措施,如化學(xué)熱處理、氣相沉積、離子注入等方法。大功率激光器的出現(xiàn),為材料表面改性提供了新的手段,亦為金屬表面陶瓷化開辟了新的途徑。一般來說,金屬材料塑性好,但在高溫下易氧化和蠕變,陶瓷材料脆性大,但耐磨、耐蝕和耐高溫性能好。因此,在金屬材料表面制備一層陶瓷涂層,將是金屬材料的強(qiáng)韌性和陶瓷材料的優(yōu)異耐磨、耐蝕和耐高溫性能的理想結(jié)合。同時(shí)陶瓷涂層的出現(xiàn),克服了陶瓷材料加工困難的缺點(diǎn),擴(kuò)展了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。由于鈦合金耐磨性能差,極大地限制了其在工程上的應(yīng)用范圍,人們利用激光熔覆技術(shù)來提高其耐磨性。此方面研究在國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道[21,22,23,24,25,26]。張松等人以Cr3C2與Ti的混合粉為原料,利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面原位生成了TiC增強(qiáng)復(fù)合涂層。但利用原位生成的方法制備的Ti+TiC復(fù)合涂層,其增強(qiáng)體TiC的含量相對(duì)較少。武萬良等人選用Ti粉和TiC粉為熔覆材料,采用大功率CO2激光器,對(duì)航天、航空工業(yè)中廣泛使用的Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了激光熔覆金屬陶瓷涂層的試驗(yàn)研究,利用外加TiC的方法制備Ti+TiC復(fù)合涂層,在Ti-6Al-4V合金表面獲得良好冶金結(jié)合的激光熔覆層,為提高鈦合金表面的耐磨性能提供一條有效的途徑。3.1不同冷卻速度對(duì)鈦合金鑄件細(xì)晶強(qiáng)化的影響為研究Ti+33%TiC激光熔覆層的強(qiáng)化機(jī)制,武萬良等人還對(duì)純Ti粉激光熔覆層進(jìn)行了研究。Ti-6Al-4V合金表面Ti+33%TiC激光熔覆層和純Ti粉激光熔覆層沿熔覆層層深方向的顯微硬度變化曲線見圖4。從圖4可以看出,用純Ti粉進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn),所獲得的熔覆層的硬度明顯高于基體,說明熔覆層中的Ti相也獲得了強(qiáng)化。由于激光熔覆是個(gè)快速加熱和冷卻的過程,其加熱和冷卻速率可達(dá)到(105~109)℃/s。在如此高的冷卻速度下,熔覆層中的Ti將形成細(xì)小的馬氏體組織。雖然鈦合金中馬氏體組織的強(qiáng)度并不高,但由于在激光熔覆過程中所獲得的馬氏體組織非常細(xì)小,達(dá)到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果,從而使其強(qiáng)度明顯增高。從圖4中還可看出,當(dāng)熔覆層材料為Ti+33%TiC時(shí),由于TiC的添加,使熔覆層的硬度進(jìn)一步提高,最高硬度達(dá)1080HV0.2,從而得到更加明顯的表面強(qiáng)化效果。這是由于激光熔覆的極高冷卻速度為表面熔化層和基體之間提供了極大的溫度梯度,從而為TiC的析出提供了極大的過冷度,有利于得到超細(xì)TiC的晶粒,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。另外,在激光熔覆過程中,TiC顆粒全部溶解在Ti液相中,在隨后冷卻過程中以樹枝晶形式析出,形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),構(gòu)成了承載的骨架。而Ti相填充在TiC樹枝晶間隙中,起到連接和傳遞載荷的作用。由于TiC硬度HV較高(約3000),而其周圍的基體相較軟,形成軟基體上彌散分布細(xì)小硬質(zhì)點(diǎn)的彌散強(qiáng)化效果。所以,Ti+33%TiC激光熔覆層的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化,其強(qiáng)化作用對(duì)改善Ti-6Al-4V合金的耐磨性能將是有利的。3.2復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)為了提高鈦合金的干滑動(dòng)磨損耐磨性能,劉元富、王華明等人以Ti-Si-Ni混合合金粉末為原料對(duì)BT9鈦合金進(jìn)行激光熔覆處理,制備出以金屬間化合物Ti5Si3為耐磨增強(qiáng)相的快速凝固“原位”耐磨復(fù)合涂層,利用金相、SEM、XRD等技術(shù)分析了涂層的成分及顯微組織結(jié)構(gòu),在室溫干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)條件下測(cè)試了涂層的耐磨性。結(jié)果表明:涂層中Ti5Si3初生相均勻分布于NiTi2-β-Ti5Si3共晶基體上,整個(gè)涂層組織均勻、致密、無氣孔、無裂紋;涂層與鈦合金基材形成了良好的冶金結(jié)合,涂層具有很高的硬度,在室溫干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)條件下具有優(yōu)異的耐磨性能。4激光熔覆技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)激光熔覆作為一種先進(jìn)的表面改性技術(shù),在表面改性領(lǐng)域已顯示出了質(zhì)量和效率上的優(yōu)勢(shì),是國(guó)內(nèi)外研究和開發(fā)的重要方向之一激光熔覆技術(shù)在許多方面已取得大量的成果有的成果還已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,目前激光熔覆仍需作進(jìn)一步的研究。1)激光熔覆過程數(shù)值模擬以及激光熔覆過程的超常物理場(chǎng)問題的研究,包括三維溫度場(chǎng)模擬的進(jìn)一步發(fā)展、激光熔覆組織的預(yù)測(cè)與控制模型、熔覆層的力學(xué)特性研究等,以進(jìn)一步揭示激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理。2)在“21世紀(jì)的再制造工程”發(fā)展中,激光熔覆再制造的相關(guān)技術(shù)與理論研究將成為新的時(shí)代要求,并使該項(xiàng)技術(shù)由表面改性技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成為集表面改性、維修、再制造于一體的具有綠色特征的表面技術(shù)。3)開展熔覆材料設(shè)計(jì)理論研究工作。研究激光熔覆合金設(shè)計(jì)的相關(guān)理論、建立設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)檢驗(yàn)準(zhǔn)則模型,為激光熔覆提供能適應(yīng)快速凝固與摩擦學(xué)系統(tǒng)需求的熔覆合金材料體系。4)材料零件