TC4表面激光熔覆AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层组织与性能研究

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钛合金具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优异性能而被广泛应用于航空航天领域,特别是基于现代战机轻量化、高推重比的核心设计思想,钛合金含量已成为衡量发动机先进水平的重要标志之一。但由于钛合金本身硬度低、耐磨性差等缺点,限制了其作为关键零部件的进一步应用。多主元高熵合金具有优异的高温耐磨性能、高温抗氧化性能、耐腐蚀性能等,成为材料领域的又一研究热点。本文采用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V(TC4)表面制备AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层,并通过添加适量的TiB2,以期进一步提高钛合金的表面硬度,改善其耐磨性能。实验结果表明,随着扫描速度的增加,高熵合金涂层的质量得到明显改善。显微组织由粗大的树枝状晶转变为典型的枝晶(DR)组织和枝晶间(IR)组织。涂层的显微硬度值略有降低。当激光功率P=1500W,扫描速度v=20mm/s,获得与基体达到冶金结合,无明显缺陷的高熵合金涂层。最佳参数下,AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层由FCC+BCC双相结构组成,其中DR为富Al-Co-Ni-Ti的FCC相,IR的非共晶组织为富Fe-Cr的BCC相,共晶组织为FCC+BCC相。随着TiB2含量的增加,TiB2/AlCoCrFeNiTix复合涂层逐渐出现Laves相、(Ni,Co)Ti2以及(Fe,Co)Ti金属间化合物相,复合涂层的脆性逐渐增加。AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层的平均硬度为706.3HV,为钛合金硬度的2.32倍(304.3HV)。添加5%、10%、15%、20%TiB2的复合涂层相较于未添加TiB2涂层的硬度值分别提高了19.3%、27%、36.4%和43.4%。常温下,TC4钛合金的磨损机理主要为磨料磨损,AlCoCrFeNiTix涂层和5%TiB2+AlCoCrFeNiTix复合涂层的磨损机理均主要为粘着磨损。两种涂层的耐磨性能分别较基体提高了约42倍和80倍。600℃高温下,TC4钛合金的磨损机理主要为磨料磨损和氧化磨损,AlCoCrFeNiTix涂层和5%TiB2+AlCoCrFeNiTix复合涂层的磨损机理均主要为粘着磨损和氧化磨损。两种涂层的高温耐磨性能分别较基体提高了约12倍和6倍。氧化试验表明,TC4钛合金的等温氧化增重速率为0.918mg·cm-2,氧化膜厚度约为8.75μm。AlCoCrFeNiTix涂层和5%TiB2+AlCoCrFeNiTix复合涂层的等温氧化增重速率分别为0.232mg·cm-2和0.22 mg·cm-2,AlCoCrFeNiTix涂层的DR区域氧化膜厚度约为0.95μm,IR区域的氧化膜厚度约为1.80μm,添加5%TiB2复合涂层的氧化膜厚度约为0.91μm。两种涂层的氧化膜主要由Al2O3、TiO2和(Cr,Fe)2O3氧化物组成,致密的氧化膜能够阻止氧元素向涂层内部扩散,涂层展现出优异的高温抗氧化性能。
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