【摘 要】
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钛合金因密度低、比强度高、韧性好以及耐腐蚀性能强等特点,被广泛应用于航天航空领域。然而,较差的高温抗氧化性限制了其服役范围。已有研究表明,激光熔覆高熵合金涂层可作为钛合金表面改性的一种有效措施,原位自生陶瓷增强相能进一步提升涂层的性能。但目前所报道的高熵合金涂层多数密度较高,亟须开展对轻质高熵合金涂层的探索。因此,激光原位合成陶瓷相增强轻质高熵合金涂层不仅有望改善钛合金的高温抗氧化性能,还对轻质高
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钛合金因密度低、比强度高、韧性好以及耐腐蚀性能强等特点,被广泛应用于航天航空领域。然而,较差的高温抗氧化性限制了其服役范围。已有研究表明,激光熔覆高熵合金涂层可作为钛合金表面改性的一种有效措施,原位自生陶瓷增强相能进一步提升涂层的性能。但目前所报道的高熵合金涂层多数密度较高,亟须开展对轻质高熵合金涂层的探索。因此,激光原位合成陶瓷相增强轻质高熵合金涂层不仅有望改善钛合金的高温抗氧化性能,还对轻质高熵合金的研究提供一定的实验参考。本文针对TC4钛合金高温抗氧化能力较弱这一缺陷,通过经验参数法以及热力学计算设计了纳米Ti O2-Al Cr Nb Ti V复合粉末体系,基于正交试验法得出了复合粉末球磨的最佳工艺参数,利用激光熔覆技术在TC4表面成功制备出了Al2O3增强Al Cr Nb Ti V轻质高熵合金基涂层。对涂层进行了XRD、XPS、SEM和EDS表征,讨论了成分配比对涂层的相组成、显微形貌、Al2O3陶瓷相的分布行为与基材Ti稀释的影响规律。测试了不同成分配比下涂层的密度、显微硬度及高温抗氧化性能,探索了涂层微结构与性能之间的内在联系,分析了涂层的高温抗氧化机理。研究表明,在200 rpm干磨3 h后,复合粉末具有较高球形度且纳米Ti O2粉末能均匀分散地吸附于各微米级粉末表面。Al Cr Nb Ti V轻质高熵合金涂层由BCC相、α-Ti相及Laves相（C15型）组成,激光熔覆引发的非平衡凝固和基材稀释使得涂层实际相种类多于理论值。随着纳米Ti O2含量的增加,Al2O3陶瓷相形貌由小颗粒状向麦穗状转变,其尺寸最大为几微米,在长时间的Marangoni流作用下,最终弥散分布于涂层内部。在反应热效应的影响下,基材稀释率不断升高,最高约为57%,理想状态下该体系中原位反应每提供1 KJ的额外热输入量,基材Ti的稀释将提高2～2.5倍。此外,随着热输入量的增加,涂层中富Ti相由树枝状生长转变为平面生长。涂层的密度均属于轻质高熵合金密度定义的范畴,随着纳米Ti O2含量的增多,涂层密度逐渐由5.54 g·cm-3下降至4.96 g·cm-3。各涂层的显微硬度均高于TC4基材,Al Cr Nb Ti V轻质高熵合金涂层熔覆区的平均硬度为548.54 HV0.1,较TC4基材提高了约51%。受Al2O3陶瓷相和α-Ti相的双重作用,涂层熔覆区的平均显微硬度随纳米Ti O2含量的增加呈抛物线型增长,当纳米Ti O2含量为8.65wt%时,涂层熔覆区硬度最高,为824.21 HV0.1,较TC4基材提高了126%。涂层的高温抗氧化能力亦受Al2O3陶瓷相和α-Ti相的共同影响。各涂层高温抗氧化性能的优劣顺序为:8.65 wt%Ti O2涂层、17.82 wt%Ti O2涂层、0.72wt%Ti O2涂层和Al Cr Nb Ti V轻质高熵合金涂层。
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