论文部分内容阅读
TC4钛合金重量轻,比强度高,耐蚀性能好,在现代航空航天工业中获得广泛应用。但其耐磨性较低,国内外针对钛合金激光熔覆做了大量研究,获得一定表面强化效应。本文采用等离子束熔覆技术在TC4钛合金表面制备Ni60涂层、Ni60/陶瓷相复合涂层;陶瓷相为石墨粉、Ti粉按比例混合后原位生成TiC。以熔池深度、表面质量、表面硬度三个指标设计4因素3水平正交实验,得到最佳工艺参数为:主弧电流40A,气体流量2L/min,喷距4mm,扫描速度450mm/min。以该工艺参数,预涂覆Ni60合金粉末,分别进行单道熔覆及多道搭接熔覆处理,对单道熔覆层进行纵截面硬度梯度测试、组织观察、EDS成分分析、XRD物相分析和界面结合性能测试;多道搭接熔覆进行耐磨与耐蚀试验、搭接部位组织与硬度分析。结果表明:1.单道熔覆表层组织为钛基体及固溶于其中TiN、TiC、TiB等硬质陶瓷相组成胞状树枝晶,白色网状NiTi/Ti共晶组织,富含固溶合金元素暗黑色钛基体,固溶在白色网状组织、暗黑色基体、及树枝晶枝尖中的Cr（Fe）7C3相;在熔覆层次层组织为固溶有合金元素细小α’针状马氏体,与弥散分布着TiC、TiB等硬质陶瓷相;热影响区为较粗大α’针状马氏体;基体为魏氏组织。2.熔覆层由表及里硬度值呈阶梯下降趋势,熔覆表层硬度达到了650800HV0.2,熔覆层次层硬度也达到了400500HV0.2;热影响区硬度值(300350HV0.2)高于基体(270290HV0.2)。分析表明:熔覆层高硬度是固溶强化、细晶强化、弥散强化共同作用结果。在真空状态,对熔覆试样进行共三次600oC高温回火,熔区产生二次硬化,弥散析出细小增强相使熔覆层与热影响区硬度再次提高,具有非常好回火稳定性。搭接区由于等离子束二次重熔作用,析出了更多增强相,搭接区具有更高硬度。3.耐磨实验表明:Ni60涂层较钛合金基体耐磨性能显著提高。高温回火后,TiN硬质相析出增多,抵抗对磨材料磨损作用增强,耐磨性能更优。耐蚀性能表明:熔覆层表层生成致密的天然TiN层,显著提高耐蚀性能。通过拉伸试验方法对Ni60熔覆层结合性能进行检测,发现熔覆层与基体具结合较好,未发生脱落。熔覆区组织大幅度细化,使抗拉强度与塑性同时提高。4.对五种配比合金粉末进行熔覆处理+真空600℃/1h回火处理,结果表明:配比为Ni60+5%[Ti+C]、Ni60+15%[Ti+C]熔覆层硬度平均值高于纯Ni60涂层。耐磨性依次为:Ni60+15%[Ti+C]>Ni60+5%[Ti+C]>Ni60+25%[Ti+C]>Ni60+35%[Ti+C]>TC4>[Ti+C],与硬度结果基本一致。单纯[Ti+C]涂层耐磨性最差,是由于生成TiC颗粒是脆性相,与基体物理性质相差大,结合力差,磨损过程中易脱落。由TiC面心立方晶体结构、熔池各部冷却速度不同,[Ti+C]涂层原位生成TiC从熔池表层到熔池底部生长机制为:十字状树枝晶,放射花草状、团簇状组织,棒状、颗粒状组织。5.TC4钛合金表面进行熔凝实验,结果表明:熔凝层组织分为两个亚层,表层为钛基体中固溶有TiN,TiO2硬质相细小树枝晶;次表层为细小密集α’相。与激光熔凝文献数据相对比,熔凝层硬度大幅度提高。三次高温回火后,再次提高熔凝层与热影响区硬度。熔凝层耐磨性、耐蚀性显著提高。等离子束强烈电磁搅拌作用,使N、O元素搅进熔池,表面生成致密的天然TiN、TiO2层,对熔凝表层硬度提高,耐磨、耐蚀性能改善起重要作用。