激光熔覆钛基复合涂层的显微组织及耐磨性能的研究

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为提高钛合金的耐磨性,本实验利用激光熔覆的方法制备了具有良好耐磨性能的钛基复合涂层。实验采用B4C/TC4粉B+C/TC4粉作为钛合金表面激光熔覆材料,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,并研究不同配比的涂层显微组织和性能的变化。  实验中,熔覆粉末分为B4C/TC4与B+C/TC4两个体系,利用功率为500W的YAG脉冲固体激光器扫描不同配比的熔覆粉末,原位生成含TiC,TiBx的涂层材料;通过XRD、SEM、TEM、硬度测试、磨损实验等手段分析它们之间的显微组织变化、强化机制、耐磨性能及磨损机理,分析对比相同成分不同粉料以及相同粉料不同成分对熔覆层组织和性能等方面的影响。  在优化的工艺参数(电流200A,离焦量15mm,扫描速度3.0mm/s)下,激光熔覆B4C/TC4,B+C/TC4涂层均获得良好的表面质量及冶金结合,熔覆层平均厚度约100~120μm。从熔覆层底部到上表面,凝固组织从β定向生长组织→较粗大的枝晶→细小胞状枝晶(或弥散颗粒)→粗大枝晶和部分等轴晶。两类涂层内均含有两种以上大量原位生成的陶瓷增强相,并以TC4粉末经激光扫描后形成的基底为黏结相,形成具有相对“韧性”的高硬度耐磨涂层。单道及多道激光熔覆层主要原位生成的增强相为枝晶状TiC(尺寸变化较大,1μm-15μm)和纤维状TiB,及少量六棱柱状TiB2。  激光熔覆20B4C+80TC4(wt.%)多道搭接涂层的最高硬度(HV804)是基体(HV320)的两倍多;显微硬度随加入B4C、B+C比例的增多而升高;在加入B、C元素相同的情况下,添加B4C粉末的熔覆层比添加B和C混合粉末的熔覆层显微硬度高。激光熔覆钛基复合涂层具有较低的摩擦系数(0.18-0.3),远低于TC4合金(0.4-0.5)。随着磨损滑行距离的增加,失重速率有所增加,陶瓷涂层的耐磨性能是呈梯度分布的,表层的耐磨性能最好。在加入B、C元素相同的情况下,添加B4C粉末的熔覆层比添加B和C混合粉末的熔覆层耐磨性能好。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,明显提高了材料的耐磨性能。
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