【摘 要】
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TC4合金具有质轻高强、耐腐蚀、抗疲劳、宽温域适用性及优良的可加工性等突出优点,可满足飞机轻量化设计、提升发动机瞬态响应能力的使用要求,是先进飞机和航空发动机的重要结构材料。但TC4合金存在硬度低、减摩耐磨性能差、易产生粘着磨损等应用缺陷,严重限制了航空用钛合金零部件的使用性能和服役周期,影响飞机安全稳定性。因此,本文以TC4+Ni60+Ni-graphite和TC4+Ni60+Ni-graphi
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TC4合金具有质轻高强、耐腐蚀、抗疲劳、宽温域适用性及优良的可加工性等突出优点,可满足飞机轻量化设计、提升发动机瞬态响应能力的使用要求,是先进飞机和航空发动机的重要结构材料。但TC4合金存在硬度低、减摩耐磨性能差、易产生粘着磨损等应用缺陷,严重限制了航空用钛合金零部件的使用性能和服役周期,影响飞机安全稳定性。因此,本文以TC4+Ni60+Ni-graphite和TC4+Ni60+Ni-graphite+Y2O3两种混合粉末为熔覆材料,通过同轴送粉激光熔覆技术在TC4合金表面制备了陶瓷增强石墨自润滑熔覆层,分别研究了Ni-graphite和Y2O3添加量对熔覆层成形质量、组织特征、相结构关系及减摩耐磨性能的影响,确定了Ni-graphite和Y2O3的最佳添加量。旨在为TC4合金在航空领域的安全应用拓展提供一定的理论支撑与试验参考。本文主要研究内容为:（1）不同添加量Ni-graphite熔覆层生成相一致,主要包括Ti C、Ti B2、Ti2Ni、Graphite以及基体相α-Ti。其中35wt.%Ni-graphite熔覆层裂纹最少,成形质量最优。熔覆层中均形成了Ti C包裹Graphite的半共格复合结构相和Ti C、Ti2Ni交错生长的共格复合结构相;半共格Ti C包覆层可缓解熔池中石墨颗粒的熔解,Ti C-Ti2Ni复合结构相有效细化了Ti2Ni组织,增加了Ti2Ni分布均匀性,降低了涂层开裂风险。（2）随Ni-graphite添加量的增大,熔覆层平均显微硬度逐渐降低,其中25wt.%Ni-graphite熔覆层平均显微硬度(733.8HV0.5)最高,较基材(376.5HV0.5)提升约1.95倍;Ni-graphite的加入有效降低了熔覆层摩擦系数,其中35%Ni-graphite熔覆层摩擦系数最低（0.09）,较基材（0.46）降低约80.4%,减摩性能最优;不同添加量Ni-graphite熔覆层磨损机制均为磨粒磨损。（3）Y2O3的添加增大了熔覆层厚度,有效抑制了熔覆层中裂纹的产生,当Y2O3添加量为6wt.%时,熔覆层表面基本无裂纹产生,成形质量最优。随Y2O3添加量的增加,增强相Ti C和金属间化合物Ti2Ni被显著细化,Bramfitt二维点阵错配度计算表明,Y2O3-Ti C、Y2O3-Ti2Ni间二维点阵错配度分别为7.09和5.75,Y2O3可作为Ti C和Ti2Ni的异质形核点,细化熔覆层组织。（4）随Y2O3添加量的增大,熔覆层平均显微硬度先增加后降低,其中2wt.%Y2O3熔覆层平均显微硬度最高(750.4HV0.5)。当Y2O3添加量为4wt.%时,基材熔化量增加,导致熔覆层硬度降低,但组织分布更加均匀,熔覆层磨损率最低(3.58×10-4 mm~3·N-1·m-1),耐磨性能最优。Y2O3的添加导致熔覆层中石墨含量降低,减摩性能较未添加Y2O3熔覆层降低,不同添加量Y2O3熔覆层磨损机制均为磨粒磨损。
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