【摘要】：以Ti和Al在高溫下的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)條件為依據(jù),利用激光熔覆技術(shù)在ZL117鋁活塞零件表面制備金屬間化合物TiAl_3增強(qiáng)的Al基復(fù)合涂層。借助XRD、EDS和XPS分析涂層的物相組成和結(jié)構(gòu)特征,通過OM和SEM觀察涂層的表面宏觀形貌及其內(nèi)部顯微組織,運(yùn)用馬弗爐測(cè)試了熔覆涂層在靜態(tài)空氣中的高溫抗氧化性能。結(jié)果表明,復(fù)合涂層主要由淺灰色網(wǎng)狀組織TiAl_3、暗灰色網(wǎng)狀間隙相α(Al)和少量晶須狀Si組成。復(fù)合涂層中Ti以TiAl_3形式存在,在TiAl_3中結(jié)合能分別為460.53 eV(Ti2p1峰)和454.96 eV(Ti2p3峰);Al則以TiAl_3、Al_2O_3和Al的形式存在,3種物相中Al的結(jié)合能分別為73.60、75.82和72.90 eV。600℃恒溫80 h下的氧化動(dòng)力學(xué)曲線顯示,相同氧化條件下,涂層氧化增質(zhì)較為平緩,氧化速率小,具有較好的相對(duì)高溫抗氧化性能,相對(duì)高溫抗氧化值最大為2.64。熔覆涂層表面氧化產(chǎn)物為Al_2O_3和TiO_2,鋁合金基體表面氧化產(chǎn)物為Al_2O_3和少量SiO_2。
【圖文】：

原子活性增強(qiáng)，Ti原子和Al原子在兩者界面位置反應(yīng)生成TiAl3薄層。隨著熔池中反應(yīng)的進(jìn)行，TiAl3含量增多，薄層不斷增厚，TiAl3層中Ti原子和Al原子之間的相互擴(kuò)散傳質(zhì)過程控制了二者之間的反應(yīng)速度，而Al原子從TiAl3層中擴(kuò)散出來與固態(tài)的Ti顆粒粉末接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與此同時(shí)，部分Ti原子也會(huì)通過熱擴(kuò)散行為透過TiAl3層與鋁液中的Al發(fā)生反應(yīng)生成TiAl3。根據(jù)文獻(xiàn)[28]，當(dāng)Ti與Al發(fā)生反應(yīng)且轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.2時(shí)，熔池中二者之間反應(yīng)會(huì)自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.5時(shí)，會(huì)出現(xiàn)TiAl中間過渡產(chǎn)物，熔池圖1Ti-Al系二元合金相圖Fig.1BinaryphasediagramofTi-Alalloy圖2化學(xué)反應(yīng)(1)和(2)的Gibbs自由能變化Fig.2Gibbsenergyofchemicalreactions(1)and(2)中金屬間化合物TiAl含量逐漸增多，從TiAl3層中熱擴(kuò)散來的Al原子將與TiAl進(jìn)一步反應(yīng)生成TiAl3。在熔池冷卻過程中，由于Al和Ti完全反應(yīng)，全部轉(zhuǎn)化為TiAl3，此時(shí)熔池中的化學(xué)反應(yīng)結(jié)束，所形成的TiAl3在冷卻過程中不會(huì)再發(fā)生熔化，并能均勻地分散在ZL117基體上，最終將得到TiAl3和α(Al)的兩相產(chǎn)物。2.2XRD物相和EDS能譜分析圖3所示為激光熔覆涂層試樣A1、A2和A3的XRD譜。從圖3譜線可知，3種激光功率下的物相衍射峰位無明顯差別，只是在衍射峰強(qiáng)上有所不同，激光熔覆涂層均由TiAl3、α(Al)和少量Si相組成，沒有Ti的峰出現(xiàn)，表明Ti和基材中的Al已完全反應(yīng)生成了TiAl3。觀察熔覆層中上部的放大形貌(見圖4)可知，激光熔覆涂層內(nèi)生長(zhǎng)有網(wǎng)狀組織。圖5所示為圖4中對(duì)應(yīng)點(diǎn)1和2位置處的EDS譜及其元素化學(xué)組成。分圖3激光熔覆層的XRD譜Fig.3XRDpatternsoflasercladdingcoating

1142中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)2017年6月量較多的條件下才能生成，故而不適合將其作為增強(qiáng)體材料，而TiA13中Ti含量相對(duì)較低，容易通過合金化反應(yīng)制備，是較為理想的增強(qiáng)體材料。由此分析，熔池中可能會(huì)發(fā)生如下兩種化學(xué)反應(yīng)：[Ti]+[Al]=TiAl(s)(1)[Ti]+3[Al]=TiAl3(s)(2)據(jù)文獻(xiàn)[26]和文獻(xiàn)[27]，查出化學(xué)反應(yīng)中各物相的熱物理參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)摩爾自由能，可得到上面兩種反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示。從圖2中可看出，，在1600K時(shí)，ΔGTiAl3(80.97kJ)小于ΔGTiAl(73.47kJ)，說明TiAl3相要比TiAl相穩(wěn)定，生成TiAl3相的可能性更大，熔池中的化學(xué)反應(yīng)按照反應(yīng)式(2)進(jìn)行。另外，由圖1所示的Ti-Al二元相圖可知，當(dāng)Ti粉顆粒周圍Al原子的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到76%時(shí)，Ti和Al在溫度達(dá)到665℃時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)生成TiAl3相，而生成的TiAl3相又被排斥到周圍鋁液中，形成Al-Ti-TiAl3平衡過度區(qū)。但這時(shí)的TiAl3相含量很少，形成的TiAl3相也不穩(wěn)定，在激光束的快速加熱和冷卻過程中還將溶解于鋁液。溫度繼續(xù)升高，熔池中Al原子和Ti原子活性增強(qiáng)，Ti原子和Al原子在兩者界面位置反應(yīng)生成TiAl3薄層。隨著熔池中反應(yīng)的進(jìn)行，TiAl3含量增多，薄層不斷增厚，TiAl3層中Ti原子和Al原子之間的相互擴(kuò)散傳質(zhì)過程控制了二者之間的反應(yīng)速度，而Al原子從TiAl3層中擴(kuò)散出來與固態(tài)的Ti顆粒粉末接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與此同時(shí)，部分Ti原子也會(huì)通過熱擴(kuò)散行為透過TiAl3層與鋁液中的Al發(fā)生反應(yīng)生成TiAl3。根據(jù)文獻(xiàn)[28]，當(dāng)Ti與Al發(fā)生反應(yīng)且轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.2時(shí)，熔池中二者之間反應(yīng)會(huì)自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.5時(shí)，會(huì)出現(xiàn)TiAl中間過渡產(chǎn)物，熔池圖1Ti-Al系二元合金相圖Fig.1BinaryphasediagramofTi-Alall
【作者單位】： 昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61368003) 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2016FA020) 云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才資助項(xiàng)目(2014HB007)~~
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2517268