论文部分内容阅读
钛合金具有比强度高、密度小、抗氧化性优异以及生物相容性良好等优点,在航空航天、汽车运输、生物医疗等领域具有广泛应用。然而,钛合金的耐磨性较差,严重限制了其在汽轮机叶片领域的应用。为此,本文采用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面制备CeO2/Ni60A涂层,分析激光与粉末的相互作用机理及熔池的热力学行为,探究不同CeO2配比对Ni60A涂层显微组织、耐磨性能及耐腐蚀性能的影响规律,揭示不同工艺参数组合与涂层成形质量的映射关系,基于多目标遗传算法对工艺参数进行了优化,并将优化后的参数应用于对汽轮机叶片的强化,最终提升了汽轮机叶片的表面性能。主要工作如下:（1）激光熔覆温度场分布与凝固特性研究。基于热力学理论,对CeO2/Ni60A熔池进行数值模拟,分析了熔池的流动特性与凝固行为,探究了涂层的温度场、温度梯度场、流动速度场等的变化。研究结果表明:金属流体受到马兰戈尼效应驱动,从熔池底部到顶部,温度梯度和形状控制因子降低,凝固速率和冷却速率增加,凝固轨迹表现为从底部的平面晶逐渐演变为胞状晶、柱状晶和顶部的等轴晶,晶粒尺寸减少,柱状晶向等轴晶转变发生在涂层中间区域。（2）CeO2对Ni60A涂层显微组织及性能的影响。利用激光熔覆设备在TC4表面制备0 wt.%～4 wt.%CeO2五种比例的CeO2/Ni60A涂层,通过SEM和XRD探究不同CeO2含量下涂层的显微组织形态与组成,分析CeO2对涂层耐磨性与耐腐蚀性的影响,揭示显微组织与性能的关联机制。研究表明:CeO2有效提高粉末对激光的吸收率,增加了熔池的宽度和深度,改善涂层与基体的热物性差异,降低涂层中裂纹和气孔的萌生概率;当CeO2含量为3 wt.%时,涂层无裂纹和孔洞等缺陷,成形质量好,磨损率最低,仅为4.10×10-6 mm~3·N-1·m-1,平均显微硬度最高可达1035.61 HV0.3;涂层的自腐蚀电流密度最低,仅为2.110×10-7 A·cm-2,这得益于涂层细晶强化后生成的Cr2O3、Al2O3、Ti O2等致密钝化膜对涂层的保护作用。（3）CeO2强化机理及Ti C-Ti B2共晶组织析出行为。基于XRD衍射图谱,分析不同CeO2含量涂层衍射峰偏移度而引起的晶格畸变,测量涂层内一次枝晶臂宽度,探究CeO2对晶粒尺寸的影响,基于二维晶格失配理论,探究Ti C-Ti B2异相形核的依存关系。研究结果表明:CeO2在涂层中易引起晶格畸变,3C涂层的晶格畸变最大,Ti C微晶尺寸为8.15 nm,而未添加CeO2涂层的Ti C微晶尺寸为15.14 nm;CeO2含量影响硬质相Ti B2尺寸和金属间化合物Ti2Ni、Ti Ni的一次枝晶臂宽度;Ti B2平均尺寸从最大11.95μm降低为最小4.76μm,一次枝晶臂间距从2.61μm减少为1.71μm,结晶细化晶粒效果显著。基于二维晶格失配理论,（0001）Ti B 2和（111）Ti C之间的晶格失配率为1.08%,存在高度相互依赖关系,易于形成Ti B2和Ti C共晶体。（4）激光功率与扫描速度对涂层成形质量、组织、性能的影响机制研究。制备不同激光功率与扫描速度条件下的涂层,分析不同激光功率与扫描速度对涂层显微组织、耐磨性能与耐腐蚀性的影响。研究结果表明:激光功率为2100 W时,CeO2/Ni60A涂层的磨损率比基体降低了90.89%;扫描速度为12 mm·s-1时,涂层的磨损率比基体降低了91.37%;随着激光功率的增大,涂层的耐腐蚀性能先增大后减小,扫描速度也表现为相同趋势,在激光功率为2100 W、速度为12 mm·s-1时,涂层的磨损机理主要表现为轻微的沟槽磨损,耐磨性得到了极大改善,表面钝化膜更加致密,在外加电压击穿钝化膜后,涂层表面钝化膜的自我修复能力较强,耐腐蚀性更优,腐蚀效率为81.05%。（5）工艺参数对涂层显微硬度、耐磨性与耐腐蚀性的影响分析。基于响应面试验法,以激光功率、扫描速度和稀士氧化物CeO2含量为输入变量,建立平均显微硬度、磨损率和自腐蚀电流密度等三个评价指标的响应面模型,分析单因素,多因素交互作用对涂层性能的影响规律。研究结果表明:激光功率优选在2132 W～2392 W,扫描速度在8 mm·s-1～16 mm·s-1、稀土氧化物CeO2的含量在3.1 wt.%～4.0 wt.%之间。在优化工艺参数下的性能指标范围为:平均显微硬度为912.29 HV0.3～1085.36 HV0.3,磨损率为3.15×10-6～7.74×10-6 mm·N-l·m-l,自腐蚀电流密度为1.707×10-7～2.716×10-7 A·cm-2,试验验证CeO2/Ni60A涂层优化目标与试验检测的误差不超过5%,Pareto优化模型准确可靠。（6）面向汽轮机叶片的涂层多道搭接规划研究。基于单道涂层的特征参数与激光功率、扫描速度和稀土氧化物CeO2质量分数之间的定量关系数学模型,分析不同搭接率下涂层的耐磨性能与耐腐蚀性。研究结果表明:最优的多道搭接率为50%。采用等弧长扫描模式和等间距扫描模式对曲面进行多道搭接。试验表明,等弧长扫描成形质量更好,磨损率降低了90.17%,自腐蚀电流密度为1.866×10-7 A·cm-2,腐蚀效率为81.13%,各项性能指标提升显著,对实际加工具有较强的指导意义。