论文摘要
ZTA15钛合金是一种高比强度结构材料，具有较高的强度和良好的耐蚀。但它的硬度较低耐磨性较差，铸件常因材料表面的磨损而失效和破坏。为了提高ZTA15合金铸件表面硬度，本文采用电火花表面沉积和堆焊熔覆工艺对ZTA15钛合金进行表面强化处理，并对这两种表面强化技术进行了研究。分别采用石墨、YG11、Ni45、Stellite6、碳化铬五种电极在ZTA15钛合金表面进行电火花沉积处理，可得到10μm～100μm不同性能的沉积层。沉积层是电极与基体在脉冲放电作用下冶金反应的产物，分别含有碳化物或金属化合物等硬质相。沉积层的硬度相比基体提高了1～5倍，其中石墨电极沉积层的硬度最高，高达2000HV0.05。钛合金电火花沉积层的厚度受电容量和沉积时间的影响。电容量720μF时，YG11和碳化铬电极沉积层厚度达到峰值，而石墨、Ni45和Stellite6电极沉积层厚度随电容量的增加一直增厚，但增加趋势变缓。当沉积时间超过2min金属电极沉积层开始出现微裂纹，微裂纹随时间的发展限制了沉积层增厚，因此金属电极沉积层的厚度随着沉积时间的延长先增加后减小，峰值出现在比沉积时间1.3min／cm~2左右；而石墨电极沉积层厚度是随着时间的延长不断增厚，但增加趋势变缓。在优化工艺下，钛合金的表面电火花沉积层厚度可达到100μm，适合于不需要再加工或磨损较轻的工况条件。通过合金化方法研制了一种高硬度的堆焊钛合金(D1合金)，其铸态硬度为HRC38.5，采用TIG焊在ZTA15基体上堆焊D1合金，堆焊后D1合金表面硬度可达到HRC45.8。表面堆焊层厚度可达3mm以上，并且堆焊层熔合区组织致密，未发现裂纹、气孔等缺陷。堆焊试样截面硬度呈梯度分布，堆焊层的硬度达到420HV0.2。堆焊层合金抗拉强度达到1080MPa，高于ZTA15基体的985MPa，热影响区强度与基体相当。堆焊层与基体结合良好，结合强度高于基体的抗拉强度。堆焊层合金的抗剪强度高于基体，达到776MPa，具有良好的抗剪切性能。堆焊层及热影响区的冲击吸收功分别为20J和30J。对堆焊层断口进行分析发现试样的断裂机制为微孔聚集型断裂。D1合金在ZTA15阀门密封面强化的工程项目中得到了应用，获得了质量良好的密封面强化层，提高了阀门的使用寿命。