激光熔覆涂层对Ti35钛合金表面性能的影响研究

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钛合金具有低比重、高比强度、优异的耐蚀性和生物相容性等特点,已经广泛应用于航空、航天、海洋、核工业及石油等领域。但是钛合金因具有摩擦系数高、耐磨性差等缺点,导致其在设备的结构使用方面的潜力发挥受到了一定程度限制。Ti35合金是西北有色金属研究院专门为我国乏燃料后处理关键设备用材而设计、并开发成功的一种新型Ti-Ta两元系的纯α型耐沸腾硝酸腐蚀钛合金,该合金具有优异的力学性能、冷热加工及成形性能、耐腐蚀性能及焊接性能,可满足乏燃料后处理工程中关键设备工况的使用要求。核燃料后处理工程中其关键设备及重要的工艺管道工作在含放射性离子的强腐蚀性介质中,需要采用耐蚀性优异的Ti35合金制备穿地阀门作为流体的控制装置。穿地阀门的密封采用硬密封方式,该硬密封面硬度设计要求HV高于200以上,同时需要承受含有多种放射性离子的高浓度沸腾硝酸的腐蚀,长期使用过程中还要求硬密封面具有良好的耐磨性能、以及在高应力载荷下较长的服役寿命。Ti35合金尽管耐腐蚀性能优异,但耐磨性差、硬度低,难以满足阀门硬密封的应用要求,如何在Ti35合金基材上获得与基体结合紧密、硬度高、耐腐蚀性能好、厚度大于3.5mm的高硬度层是首先要解决的基本技术问题。解决Ti35合金穿地阀门硬密封面问题,对保证核燃料后处理系统长期安全可靠运行,提高核燃料回收效率具有重要意义。本项目涉及的穿地阀门的硬密封面不但使用位置特殊,且要求一定的厚度(厚度≥3.5mm),常规使用的微弧氧化、无氢碳氧共渗、热喷涂+烧结、物理气相沉积等方法均不能满足要求。激光熔覆技术因具备激光熔覆层和基体呈高强度冶金结合、熔覆层组织细小、成分及厚度可控制等优点,已成为改善钛合金表面性能的有效手段之一。采用与Ti35合金同体系的Ti-Ta合金作为穿地阀门硬密封面熔覆用材料,既保证了与基体结合紧密度,也便于进一步通过添加硬质相调整熔覆层的硬度、强度,同时为了保证核燃料闭式循环系统长期安全可靠运行,熔覆层还要确保足够的耐腐蚀性能及抗压力腐蚀疲劳性能,因此有必要对不同成分的Ti-Ta合金激光熔覆层加以研究。本课题针对Ti35合金硬度低、耐磨性差等缺点,在Ti35合金基体表面进行硬质陶瓷强化相复合涂层的激光熔覆以提高其硬度及耐磨性。期望在保证其耐蚀性能的前提下,提高其硬度、耐磨性及抗压疲劳性能,得到无气孔、裂纹且与基体呈良好冶金结合的一定厚度的熔覆层的制备方法,为钛合金穿地阀门硬密封面的制造提供技术支持。完成的主要工作及取得的结论如下:(1)在Ti35合金基体上预置Ti-10Ta+5~10TiC粉末,通过激光熔覆方法能够形成满足Ti35合金穿地阀门硬密封面硬度及耐腐蚀性要求的复合涂层。(2)随着Ti-10Ta+XTiC熔覆材料中TiC含量的增加,熔覆层的显微组织有粗大化的趋势,其纤维状的组织逐渐被柱状组织代替,结合区组织更加致密。当TiC含量超过10%时,熔覆层中有小量气孔缺陷产生。(3)随着Ti-10Ta+XTiC熔覆材料中TiC含量的增加,熔覆层硬度增加,其显微硬度值由表面向基体呈先小幅度升高后逐渐下降的趋势,5~20%TiC熔覆材料的硬度均满足要求;随着TiC含量增加,熔覆层的腐蚀速率有提高的趋势。(4)Ti-Ta+XTiC合金熔覆层腐蚀后表面形成的氧化膜厚度在扫描电镜观察下不明显;Ti-10Ta合金熔覆层在腐蚀后表面生成的氧化膜比Ti-10Ta+5~20%TiC熔覆层的更加致密。
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