TC4表面激光诱导原位制备TiC/TiB_x钛基复合涂层显微组织及性能的研究

论文摘要

为了增强钛合金表面的耐磨性,按照复合材料的发展趋势,以激光熔覆制备具有良好耐磨性能的涂层为目标,本实验采用B4C粉和B4C/TC4粉作为钛合金表面激光合金化和熔覆材料,选用TC4合金作为基体材料,制备原位生成TiC和TiBx复合耐磨涂层,研究粉末成分及工艺参数等涂层显微组织和性能的影响。系列实验中,首先通过预置粉末法和同步送粉两种方式在TC4表面添加B4C粉末,激光原位制备了单道激光合金化涂层；通过预置粉末法添加30%B4C+70%TC4（wt.%）粉末制备多道搭接涂层及三层非梯度涂层,通过预置粉末法分层添加10%B4C+90%TC4,20%B4C+80%TC4粉末30%B4C+70%TC4（wt.%）粉末制备成分变化梯度涂层,应用XRD、金相显微镜、SEM、TEM、显微硬度测量仪、磨损试验机等多种分析手段对所制备涂层的微观结构和性能进行了研究。实验结果表明：TC4合金表面用B4C粉和B4C/TC4粉激光制备的钛基复合涂层均通过化学反应在涂层中原位生成了TiC, TiB和TiB2相。TiC相以树枝状相形式存在,TiB2和TiB相均以棒状相形式存在,TiB2较粗大,TiB较细小偏向于呈针状。利用同步送粉法添加B4C粉末比预置粉末法制备的单道钛基复合涂层生成更多的粗大棒状的TiB2,其硬度比预置粉末法获得的硬度高,最高可达1800HV,是基体（320HV）的五倍多。对于激光熔覆单一成分（30wt.%B4C+70wt.%TC4）多层涂层和以10wt.%B4C递增的多层的梯度涂层,随着层数的增加生成的TiB和TiB2增多。梯度复合涂层表面完整、平滑,内部无裂纹、气孔等缺陷,其涂层内部组织形貌由底及表,依次是β定向生长、弥散颗粒和棒状晶,枝晶和较粗大棒状晶。激光熔覆TiBx+TiC增强钛基复合涂层具有较低的摩擦系数（0.18-0.3）,最低仅为TC4合金摩擦系数（0.4-0.5）的1/2。随着磨损滑行距离的增加,失重量有所增加。当滑移367.5m时,梯度涂层失重0.0019g,单一成分多层涂层失重0.0050g。在磨损过程中,激光熔覆钛基复合涂层发生磨粒磨损、粘着磨损,原位生成的TiC、TiB及TiB2陶瓷相弥散分布在涂层中产生强化作用。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 钛合金及其表面强化

1.1.1 钛合金

1.1.2 钛合金表面强化

1.2 激光熔覆

1.2.1 激光熔覆机理

1.2.2 熔覆工艺及特点

1.2.3 激光熔覆层品质的主要影响因素

1.2.4 激光熔覆送粉装置的研究状况

1.3 钛基复合材料及其原位自生制备技术

1.3.1 钛基复合材料

1.3.2 原位自生制备技术

1.4 激光原位制备钛基复合涂层研究状况

1.5 激光熔覆发展展望

1.6 本课题研究的目的

第2章实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 激光熔覆表面预涂层材料

2.2 激光合金化及熔覆实验

2.2.1 激光实验原理

2.2.2 激光熔覆实验设备

2.2.3 激光实验参数

2.2.4 实验样品预处理与预涂层的制备

2.3 激光同步送粉制备涂层实验

2.3.1 激光同步送粉制备涂层实验设备

2.3.2 激光同步送粉制备涂层实验原理

2.3.3 实验样品预处理

2.4 激光制备样品的分析方法

2.4.1 激光涂层表面形貌和显微组织观察

2.4.2 激光涂层物相分析

2.4.3 样品的显微硬度测量

2.4.4 样品的耐磨性能测试

第3章激光诱导制备单道钛基复合涂层

4C粉末的研究'>3.1 激光合金化B₄C粉末的研究

4C单道涂层'>3.1.1 预置粉末激光表面合金化B₄C单道涂层

4C粉末合金化的研究'>3.1.2 同步送粉激光表面B₄C粉末合金化的研究

3.1.3 激光表面合金化单道涂层硬度测试

4C/TC4粉末的研究'>3.2 激光熔覆B₄C/TC4粉末的研究

3.2.1 单道熔覆涂层的形貌和显微组织分析

3.2.2 单道熔覆涂层硬度测试

第4章激光原位制备多层钛基复合涂层

4C+70wt.%TC4涂层'>4.1 三层叠加30wt.%B₄C+70wt.%TC4涂层

4.1.1 涂层第一层的制备

4.1.2 涂层第二层的形貌分析

4.1.3 第三层的制备

4.1.4 多道搭接涂层裂纹的形成

4C/TC4梯度涂层'>4.2 激光制备B₄C/TC4梯度涂层

4C/TC4梯度涂层的显微组织和形貌分析'>4.2.1 激光制备B₄C/TC4梯度涂层的显微组织和形貌分析

4C/TC4梯度涂层的物相分析'>4.2.2 激光诱导多道搭接B₄C/TC4梯度涂层的物相分析

4C/TC4梯度涂层的性能测试'>4.3 激光诱导多道搭接B₄C/TC4梯度涂层的性能测试

4.3.1 显微硬度测试

4.3.2 耐磨性能分析

第5章结论

参考文献

致谢

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