钛合金激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层组织结构与耐磨性的研究

摘要

钛合金具有优异的物理化学性能，如高比强，高比模量及耐蚀性等，已被应用于航空航天、生物医药等领域。但钛合金耐磨性差，限制了其优异潜能的发挥。激光熔覆因其熔覆层与基体结合紧密、无污染等优点已成为钛合金表面改性技术的研究热点之一。Ti-Al金属间化合物具有高比强、良好的抗氧化性等性能，被认为是航天航空领域最具发展前景的轻质材料。
　　 本课题针对在航空工业中具有发展前景的先进钛合金材料，采用激光熔覆技术，通过理论与试验相结合的方法，以Ti-Al金属间化合物+陶瓷硬质相（如TiC、TiB2、TiN等）作为钛合金表面激光熔覆层强化的突破口，获得与基体呈冶金结合、具有高耐磨性的Ti-Al金属间化合物+陶瓷硬质相激光熔覆层，并对熔覆层的组织结构和耐磨性进行研究。本项研究为激光熔覆技术在航空、国防和军事装备领域的应用提供了理论与试验依据，对我国航空事业的发展具有重要的战略意义。
　　 本试验研究以在预置涂层中加入Ti-Al金属间化合物/陶瓷复合粉末，通过激光熔覆形成Ti-Al/陶瓷复合涂层和提高耐磨性为主线，通过对激光熔覆工艺参数的控制以及对不同元素组分配比的调整，优化Ti-6Al-4V钛合金表面制备Ti-Al/陶瓷复合涂层的工艺参数及粉末配比;分别研究了在预置涂层中加入Cu、Y2O3-Al2O3、Y2O3部分稳定ZrO2(YPSZ)以及氮气环境中激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织结构、显微硬度及耐磨性的相关性。揭示Al2O3及稀土氧化物Y2O3对激光熔覆复合层中陶瓷相的原位形成机制及对基体的强化机制的影响。通过调整预置涂层中的粉末配比降低Ti-Al/陶瓷复合熔覆层的脆性，改善其耐磨性。本课题从激光熔覆层的磨损质量及磨损体积入手，对激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的磨损机制进行了研究。
　　 系列研究结果表明，激光熔覆过程中Al3Ti易于与从基体进入熔池的Ti发生化学反应生成Ti3Al，改善钛合金的耐磨性。Y2O3部分稳定ZrO2(YPSZ)的加入可减少激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层中裂纹产生几率，改善其强度、韧性及耐磨性。在氮气环境中，大量TiN可在激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层表层产生，进一步改善钛合金的耐磨性。
　　 激光熔覆中加入的Cu与Ti及Ti-Al在熔池中发生化学反应，生成Ti-Cu金属间化合物及Ti(CuAl)2，可显著改善熔覆层的组织结构与耐磨性。Cu的加入还促进了钛硼化合物在Al3Ti-C-TiB2激光熔覆层中生长。Ti(CuAl)2弥散分布于熔覆层中，有利于提高激光熔覆层的显微硬度与耐磨性。当Cu在预置涂层中含量超过13wt.％时，易造成熔覆层韧性不足，使大量裂纹在熔覆层中产生。
　　 部分Al2O3与TiB2在熔池中发生化学反应，生成Ti3Al、O2与B。Al2O3与TiB2之间的化学反应消耗了熔池中部分陶瓷相，提高了基体对熔覆层的稀释率，有利于未参加该反应的陶瓷相熔化并析出，改善熔覆层的组织结构与耐磨性。加入1wt.％Y2O3可显著改善Al2O3-TiB2强化Ti-Al/陶瓷复合涂层的组织结构与耐磨性。Y2O3粒子易在熔覆层中发生聚集，阻碍Al2O3及TiB2生长。加入Y2O3使晶界得到强化，组织均匀化;但加入到3wt.％Y2O3以上时熔覆层多处产生微裂纹，且产生大量未熔TiB2块状物。
　　 在Ti-6Al-4V钛合金表面激光熔覆Al3Ti+TiB2/（Ni包WC）混合粉末可生成Ti-Al/陶瓷复合涂层。X射线衍射(XRD)分析表明，由于大量M6C(Ni2W4C)脆性相的产生以及复合涂层组织粗化，显微硬度仅较基体提高2～3倍，耐磨性提高受限。在预置粉末中加入10wt.％Al2O3-1.5wt.％Y2O3可细化激光复合涂层的组织并明显降低M6C含量，其激光熔覆层的显微硬度为1300～1450HV0.2，耐磨性大幅度提高。
　　 本课题将具有轻质和优良性能的Ti-Al金属间化合物与陶瓷激光熔覆于钛合金表面，形成具有优异性能的金属间化合物/陶瓷复合涂层。激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层可应用于修复各种失效零件，例如在航空发动机叶片修复中有很好的应用前景。研究激光熔覆Ti-Al/陶瓷复合涂层的磨损机制与影响因素，揭示其显微组织、相结构和耐磨性的内在规律性，为在钛合金表面制备出高性能的金属陶瓷复合涂层提供了试验依据与理论基础。