钢及钛合金基体激光熔覆Ti(B,C,N)粉末组织及性能的研究

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激光熔覆处理工艺中,表面熔覆陶瓷增强相复合涂层是最具竞争力的一种材料表面增强改性技术,它成功地把陶瓷材料的高硬度、良好的耐磨性和化学稳定性与金属材料的优异性能结合起来。现在很多科学家致力于在金属基体上熔覆陶瓷材料,以提高基体的硬度、耐磨性等性能。本文采用激光熔覆技术以Ti(B, C, N)/合金粉为涂层材料,改善45钢和Ti-6Al-4V合金基体表面综合性能。利用光镜、SEM、能谱分析等手段对熔覆层的组织和结构进行了分析,并研究了熔覆层的显微硬度及磨损性能,得到以下结果:(1)采用激光熔覆技术,以Ti(B, C, N)/合金粉为涂层材料,在45钢基体上进行激光熔覆试验,获得了良好的熔覆层与基体结合。激光熔覆过程中,合金粉与部分基体完全熔化形成熔池,Ti(B, C, N)局部熔化,包裹在其中;熔覆完成后,温度降低,Ti(B, C, N)为其他物相的析出提供形核点,促进其他物相的形成,有利于提高熔覆层的综合性能。当Ti(B, C, N)过量时,由于陶瓷颗粒与基体的润湿性较弱,以及合金粉与陶瓷颗粒的热膨胀系数的较大差异,会导致孔洞和裂纹的产生。相比3500W,激光功率为4000W时,熔覆层获得热量更多,熔覆层更深。(2)随着Ti(B, C, N)含量的增加,熔覆层的硬度显著提高。当Ti(B, C, N)含量为5%时,熔覆层的最高硬度是396HV,当Ti(B, C, N)为95%时,熔覆层的硬度达到1200HV,约为基体的5倍。随着Ti(B, C, N)含量增加,熔覆层耐磨性能逐渐上升。当Ti(B,C, N)含量较少时,熔覆层磨损主要为粘着磨损机制,随着增强相Ti(B, C, N)含量的增加,熔覆层的磨损机制变为粘着磨损与磨粒磨损共存。随着Ti(B, C, N)含量增加,熔覆层的耐腐蚀性能也逐渐增强。(3)采用激光熔覆技术,以Ti(B, C, N)/Mn粉为涂层材料,在Ti-6Al-4V基体上上进行激光熔覆试验,在激光熔覆时Ti(B, C, N)颗粒发生微熔化,被熔体包裹,自组织形成枝晶组织。有界面反应发生。在Ti(B, C, N)颗粒周围形成新强化相,包括TiAl、TiB2、MnB和TiAl3。基体中的铝置换钛,Ti(B, C, N)转变成Ti(Al)BCN,均匀分布,形成枝晶结构。不同Ti(B, C, N)含量对熔覆层组织结构有显著影响。随着Ti(B, C, N)含量的增加,熔覆层中Ti(Al)BCN形成的树枝晶逐渐变的发达。当Ti(B, C, N)含量为60%时,增强相颗粒由尺寸细小的树枝晶与晶界处分布的针状组织构成;当Ti(B, C, N)含量为90%时,树枝晶尺寸变大,晶界处的针状组织数量也增多;当Ti(B, C, N)含量为100%时,枝晶尺寸粗大,紧密排列,针状组织演变为细片状。(4)不同Ti(B, C, N)含量熔覆层的显微硬度和耐磨性能相对于基体都有很大提高。当Ti(B, C, N)含量为80%时,其磨损量最少,熔覆层的显微硬度和耐磨性能最佳,显微硬度最大值达到了1200HV,约为基体的4倍(320HV),耐磨性也提高到基体的4倍。
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