激光熔化法制備ici復(fù)合材料涂層的研究

鈦基材料具有高比強(qiáng)、高比模型高的特點(diǎn)。其耐疲勞動(dòng)、耐高低溫性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、汽車制造等行業(yè)。顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(PTMCs)是近年世界材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫轉(zhuǎn)子部件的候選材料。PTMCs的制造方法根據(jù)增強(qiáng)體的加入和生成方式可分為外加法和反應(yīng)生成法兩種。前者是在熔煉過程中直接加入微量的第二相硬質(zhì)點(diǎn),如TiB2,TiC等顆粒。后者又稱為原位(in-situ)生成法,通過某種方式加入能生成第二相顆粒的元素,使這些微合金化添加劑能在熔煉過程中生成細(xì)小穩(wěn)定的顆粒增強(qiáng)相。由于新生成的增強(qiáng)相晶體完整性好,表面無污染,與基體結(jié)合良好,有助于獲得性能優(yōu)良的復(fù)合材料,因而該種方法日益受到重視,已發(fā)展成為制造PTMCs的新方法。近20年來,高能束激光已用于在傳統(tǒng)的金屬材料表面熔覆陶瓷-金屬基復(fù)合材料涂層,以提高其耐磨性。陶瓷材料具有一般金屬材料難以比擬的耐磨性和耐蝕性,因此可以針對(duì)零件的不同服役條件和失效特點(diǎn),選擇不同的合金粉末和與之匹配的陶瓷顆粒相,用激光束在金屬基體表面熔覆一層復(fù)合材料保護(hù)涂層,將金屬材料良好的性能與陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕及耐熱性能有機(jī)結(jié)合起來,提高零件的使用壽命。由于鈦基體化學(xué)活性較高,高溫下鈦和陶瓷相極易發(fā)生劇烈的反應(yīng),界面反應(yīng)相將導(dǎo)致材料的某些性能下降,故制備鈦基復(fù)合材料涂層的加工工藝顯得特別重要。作者采用Nd:YAG固體脈沖激光器,選用Cr3C2陶瓷粉末及鈦粉,在Ti6Al4V合金表面進(jìn)行激光熔覆處理,通過原位自生法制備出TiC/Ti復(fù)合材料表面改性層,為提高鈦合金表面性能提供一條有效的途徑。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)用粉的制備基體材料為經(jīng)過1040℃,4h退火的Ti6Al4V(α+β)型雙相鈦合金,其化學(xué)成分見表1,平衡β相轉(zhuǎn)變溫度為(1000±20)℃。采用20μm的Cr3C2陶瓷粉末,將Cr3C2與Ti粉按不同的比例在氬氣保護(hù)下球磨混合后,配制成實(shí)驗(yàn)用粉,實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)及成分見表2。樣品表面粗糙度Ra=0.2μm。將合金粉末置于Ti6Al4V樣品表面,預(yù)置合金粉末厚度0.7mm,將樣品放入一可控氣氛加工室中,抽真空后充入氬氣,以保證在激光處理過程中表層合金及粉末不被氧化。采用Nd:YAG固體脈沖激光器進(jìn)行激光熔覆處理,優(yōu)化工藝條件為:單脈沖能量50J,脈寬5ms,頻率4Hz,光斑直徑2mm,掃描速率1.1mm/s。1.2組織及成分檢測(cè)將激光熔覆處理后的樣品,沿截面制成金相樣品,采用0.5mLHF+99.5mLH2O酸性腐蝕劑腐蝕樣品。利用掃描電子顯微鏡(SEM/EDAX)進(jìn)行組織及成分檢測(cè)。利用X射線衍射儀進(jìn)行熔覆層相結(jié)構(gòu)測(cè)定,X射線衍射條件為:CuKα衍射,衍射束石墨單色器單色化,管電壓50kV,管電流100mA。2結(jié)果與討論2.1陶瓷顆粒與ti金屬酶的相互作用在對(duì)激光熔覆復(fù)合材料涂層進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮復(fù)合材料的使用性能,還應(yīng)兼顧陶瓷顆粒相與復(fù)合材料基體間的物性匹配,顆粒與液態(tài)金屬熔液之間的浸潤(rùn)及化學(xué)反應(yīng)等因素。目前,TiB,TiB2大都用來作高溫鈦基復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)劑,而TiC多用來作耐磨鈦基復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)劑。表3為TiC增強(qiáng)相的性能。Cr是Ti及其合金中強(qiáng)β相形成元素,在一定溫度下,Cr的溶入可顯著增大顯微組織中β相比例,從而有利于表層復(fù)合材料塑性的提高。在高能激光束的輻照下,陶瓷顆粒Cr3C2與Ti金屬界面的作用大致可以分為3個(gè)階段:第一階段,材料表面相互接觸形成物理結(jié)合;第二階段,當(dāng)金屬熔液與Cr3C2固相接觸時(shí),其材料表面活化,建立起新的化學(xué)平衡,固相元素通過擴(kuò)散進(jìn)入金屬熔液,與金屬液中的元素發(fā)生反應(yīng)形成化合物,成為熔覆層中的強(qiáng)化相;第三階段,材料相互作用的體積擴(kuò)散。在第一階段中,表征陶瓷相與金屬間潤(rùn)濕能力的潤(rùn)濕角,隨激光輻照過程中合金粉末熔化性質(zhì)的變化而改變,而熔覆層的組織能否按設(shè)計(jì)的要求而產(chǎn)生,主要由第二階段決定,即材料在相互接觸的過程中伴隨著電荷的遷移和原子的轉(zhuǎn)移,將發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng),生成與原陶瓷相完全不同的新相。新相的生成,不僅取決于合金粉末本身的性能,而且還取決于激光熔覆的工藝參數(shù)等條件,如溫度、時(shí)間等。在激光輻照熔融過程中,Cr3C2和Ti之間可能發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):2Ti+Cr3C2→2TiC+3Cr(1)由化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)可知,在某一溫度T情況下,參加反應(yīng)的各物質(zhì)自由能Gi,T=Hi,T-TSi,T(2)根據(jù)式(1)中參加反應(yīng)的各種物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù),對(duì)其反應(yīng)的生成自由能ΔG=2GTiC+3GCr-2GTi-GCr3C2(3)計(jì)算表明,式(1)置換反應(yīng)在高溫下(1600K)的自由能變化ΔG=-61.43kJ。因此,合金粉末經(jīng)激光輻照生成TiC顆粒并分離出Cr原子為一自發(fā)反應(yīng)過程。2.2材料的表面組織圖1所示為激光熔覆層截面的低倍形貌及其截面EDAX分析元素分布情況?？梢钥闯?控制激光處理工藝參數(shù),可獲得與基材Ti6Al4V結(jié)合良好,表面涂層元素稀釋率低的合金熔覆層。圖2(a),(b),(c)所示為3種成分樣品熔覆層表層的顯微組織形貌,可見增強(qiáng)相TiC彌散均勻地分布于復(fù)合材料熔覆層中。圖2(d)所示為B樣品激光熔覆層與Ti6Al4V基材的界面組織。可見,表面復(fù)合材料熔覆層與基材具有良好的組織匹配性,界面附近TiC顆粒分布呈梯度變化,從而有利于熔覆層與基材的結(jié)合。圖3為3種成分樣品的X射線衍射分析圖譜。可見,TiC/Ti表層復(fù)合材料的基體組織隨合金粉末中Cr3C2含量的變化而改變。結(jié)果表明,當(dāng)預(yù)置合金粉末成分中Cr3C2含量增至一定值時(shí),復(fù)合材料熔覆層的基體由單相β-Ti組成。EDAX分析結(jié)果表明,B樣品表層基體β-Ti中Cr的固溶度僅為6.42%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。由Ti-Cr二元相圖可知,含6.42%Cr的β-Ti只有在765℃以上才能穩(wěn)定存在,顯然,復(fù)合材料的基體組織β-Ti(Cr)是在激光快速熔凝過程中形成的亞穩(wěn)相。2.3富碳濃度區(qū)的形成激光輻照時(shí)熔池內(nèi)可能在某一瞬間達(dá)到很高的溫度。由于陶瓷粉末具有較高的激光吸收率和較低的導(dǎo)熱系數(shù),因此在激光輻照過程中,Cr3C2陶瓷粉末顆粒邊緣會(huì)發(fā)生部分溶解,甚至完全熔化。這樣在熔池的某一區(qū)域形成了富碳的濃度區(qū),為TiC的形成提供了一定的碳濃度,從而形成了TiC初生晶核。圖4為初生TiC的形貌。可以看出,初生TiC在富碳濃度區(qū)產(chǎn)生后,以螺旋生長(zhǎng)臺(tái)階方式長(zhǎng)大(如箭頭所示),但由于激光熔覆快速熔凝的工藝特點(diǎn)所決定,初生的TiC難以聚集長(zhǎng)大。在隨后的冷卻過程中,初生的TiC將與熔體發(fā)生包晶反應(yīng):L+TiC→β-Ti或冷卻熔體直接發(fā)生共晶反應(yīng):L→TiC+β-Ti共晶TiC則以亞微米級(jí)顆粒彌散分布于β-Ti中,如圖5所示。3納米tic/ti纖維復(fù)合涂層的制備1)熱力學(xué)計(jì)算表明,Cr3C2和Ti合金粉末經(jīng)激光熔化處理,生成TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是可行的,該反應(yīng)為一自發(fā)過程。2)選擇合適的激光處理工藝參數(shù)