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钛合金表面激光熔覆TiCrAlSi系多主元合金涂层的研究

黄灿  
【摘要】:钛合金具有密度低、比强度高、疲劳蠕变性能好、耐蚀性能优异等特点,在航空、航天、船舶、兵器等领域得到较广泛的应用。但是在高温和剧烈摩擦的情况下,钛合金的应用受限于较差的摩擦性能、抗氧化性能和有燃烧的危险(即“钛火”)。表面改性技术在解决这些问题的同时,能够保留块体材料的机械性能,因而受到了广泛的关注。其中,激光表面技术具有极高的加热冷却速率,能精确改进表面性能。多主元合金是一种新的合金设计理念,它包含接近等原子比的多种主要合金元素,而传统合金一般只有一个主要元素。通过选择适当的合金元素,这类合金能得到所需的性能,例如高硬度、良好的热稳定性、优异的耐磨、抗氧化和耐腐蚀性能。因此,多主元合金被看作具有吸引力的表面涂层材料。 本研究的目的是开发能同时提高钛合金耐磨性、抗高温氧化性和阻燃性的多主元合金涂层。采用激光熔覆的方法,在钛合金基体上制得了TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni两种多主元合金涂层,研究了激光熔覆工艺参数、微观组织、耐热性、摩擦磨损性能、抗高温氧化性和阻燃性等方面的内容。并用CALPHAD(相图计算)技术分析了涂层的相形成规律和阻燃性能。完成的主要工作和结论如下: (1)采用优化的激光熔覆工艺在Ti-6A1-4V钛合金基体上激光熔覆制得裂纹和孔洞很少的TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni两种多主元合金涂层。 (2)XRD、SEM和EDS分析表明,激光熔覆TiCrAlSi-V多主元合金涂层由(Ti,V)5Si3和BCC相组成;800℃真空退火24小时后,析出了新相Al8(V,Cr)5。激光熔覆TiCrAlSi-Ni多主元合金涂层由(Ti,Cr)5Si3和NiAl相组成;800℃真空退火24小时后,相组成没有发现明显的变化。结果表明,不是所有的多主元合金都会如许多学者所强调的那样,生成简单固溶体。 (3)建立了用于TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni多主元合金的热力学数据库。基于这个数据库,采用CALPHAD方法计算出了涂层材料随温度变化平衡相组成的演化规律,并用实验进行了验证。对TiCrAlSi-V合金,实验与计算结果一致;而对TiCrAlSi-Ni合金,实验与计算结果略有出入。 (4)真空退火后,TiCrAlSi-V多主元合金涂层的硬度略有上升,这是由于退火过程中析出了金属间化合物Al8(V,Cr)5。而TiCrAlSi-Ni涂层在热处理前后,硬度没有明显变化。两种涂层的硬度都远大于Ti-6Al-4V钛合金基体。 (5)干滑动磨损实验表明,Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆多主元合金涂层后,耐磨性明显提高。在不同的频率下,涂层的比磨损率都远小于钛合金基体,尤其是TiCrAlSi-Ni涂层,比磨损率减小了两个数量级。TiCrAlSi-V涂层的摩擦系数明显小于Ti-6A1-4V钛合金基体。在本研究所采用的实验条件下,钛合金基体的磨损机制为粘着磨损和严重的磨粒磨损,而两种涂层均为轻微磨损,其磨耗过程为氧化、粘着和粘着材料(包括氧化物)的开裂与剥落。 (6)氧化实验表明,两种涂层都能有效提高钛合金在800℃的抗氧化性。TiCrAlSi-V涂层表面形成的氧化层由SiO2、Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的V2O5构成,TiCrAlSi-Ni涂层表面的氧化层由Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的SiO2与NiO构成。两种氧化层都连续致密,没有裂纹和孔洞。 (7)通过计算绝热燃烧温度研究了阻燃性。TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni多主元合金的绝热燃烧温度都比Ti-6A1-4V钛合金低,因此两种涂层在理论上都有较好的阻燃性。用激光烧蚀法初步评价了涂层及钛合金基体的阻燃性,实验结果和理论分析一致。


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