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半导体激光复合溶胶凝胶技术制备TiC增强涂层研究

唐强强  
【摘要】:工业生产对工模具精度、质量以及使用寿命的要求很高。五金工模具的特点是用量大、消耗大、技术要求高。世界各国越来越多地采用高性能涂层技术,该技术已经成为节能减排、提高生产率、节约成本、产业转型升级的关键技术。金属基TiC陶瓷强化涂层具有高硬度高耐磨等优良性能,工模具要求表面硬度高,耐磨性能好,金属基TiC陶瓷强化涂层通常用于工模具表面,可以显著改善工模具表面性能,提高工模具使用寿命。激光熔覆技术是材料表面制备强化涂层的先进技术,利用其快速加热和快速冷却的特点,可获得均匀细小的涂层组织。激光熔覆原位反应技术是对反应物进行熔覆,反应物在熔池中反应生成强化颗粒,生成的颗粒清洁无污染、与基体润湿良好,强化颗粒与涂层之间应力小、结合力强。溶胶凝胶技术制备的粉末混合充分,粉末细小,粉末中反应物之间接触面积大,反应所需能量降低,有利于反应的进行,可以原位生成细小的强化颗粒。激光复合溶胶凝胶技术结合了以上技术的优点。本文采用连续半导体激光复合溶胶凝胶工艺制备TiC增强涂层。采用溶胶凝胶工艺制备了TiO_2、C混合干凝胶粉末,选用45号钢作为基体材料,釆用连续半导体激光器,在其表面激光熔覆得到TiC增强涂层。采用脉冲Nd:YAG激光在前人的研究基础上制备了TiC增强涂层,以做分析比较。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等手段分析了熔覆层的显微结构和相组成,采用显微硬度计与摩擦磨损试验机测试熔覆层的显微硬度和磨损性能。最后研究了TiC增强涂层形成机理。结果表明,半导体激光复合溶胶凝胶工艺可以制备得到优良的TiC增强涂层。当激光功率600 W、扫描速度3 mm/s、无气流量时,可以得到TiC含量最多的涂层,细小TiC颗粒为多边形或不规则形状,大小为1~3μm。另外,半导体激光熔覆制备涂层内部含有少量超大TiC硬质团,大小为40~100μm。当扫描速度和气流量一定时,随着激光功率增大,涂层硬度先下降后上升;当激光功率和气流量一定时,涂层硬度随扫描速度增大而减小;当激光功率和扫描速度一定时,随气流量增大,涂层硬度先增大后减小。当半导体激光功率1000W、扫描速度1 mm/s、气流量30 L/min时,涂层硬度最大,涂层平均硬度900HV_(0.2),最高硬度达1151 HV_(0.2)。半导体激光熔覆涂层耐磨性最高为45钢基体的13.9倍,这是因为该涂层中含有少量TiC颗粒,且较多Ti元素固溶于涂层基体形成高碳高合金马氏体组织,晶粒细小,涂层硬度极高。高倍下磨损形貌显示含有点状坑,为疲劳磨损机制;YAG脉冲激光熔覆涂层耐磨性最高为45钢基体的10倍,涂层中含有非常细小的TiC颗粒,其磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损共存。本文对TiC的原位生成机制进行了热力学分析,认为主要为固固反应机制;并对TiC强化颗粒在熔池中溶解的机理进行了分析,TiC颗粒在高温熔池中可溶解,当熔池内原子比X_(Ti)/(X_(Fe)+X_(Ti))0.15(X_(Ti)为熔池中Ti原子百分含量,X_(Fe)为熔池中Fe原子百分含量)时,TiC可完全溶解于基体中形成含Ti、C固溶体fcc(Fe)或bcc(Fe)。


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