鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天、化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但表面易磨損、高溫下氧化嚴(yán)重等缺點(diǎn)制約了其作為關(guān)鍵高溫運(yùn)動(dòng)零部件的使用。激光熔覆是表面改性技術(shù)的一種,可在鈦合金表面制備出沒(méi)有氣孔、裂紋等缺陷,且與鈦合金結(jié)合良好的復(fù)合涂層。在鈦合金表面激光熔覆制備具有高溫抗氧化和耐磨損性能的復(fù)合涂層,無(wú)疑是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。為了同時(shí)改善鈦合金的高溫抗氧化和摩擦學(xué)性能,研究并開發(fā)先進(jìn)復(fù)合材料涂層新體系。選用Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù),Mo與Si按原子比1∶2計(jì)算)混合粉末為原料,采用激光熔覆技術(shù),在Ti6Al4V合金表面制備復(fù)合涂層。使用維氏顯微硬度計(jì)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)分別測(cè)定涂層截面的顯微硬度、物相組成和顯微組織。使用高溫電阻爐對(duì)Ti6Al4V合金和三種涂層進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為100 h的高溫(800℃)氧化試驗(yàn),結(jié)合熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析了相應(yīng)的氧化機(jī)理。使用高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ti6Al4V合金和涂層進(jìn)行了室溫和高溫(800℃)摩擦磨損試驗(yàn),分析其磨損機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在Ti6Al4V合金表面激光熔覆制備出高溫抗氧化和耐磨復(fù)合涂層N1、N2、N3(對(duì)應(yīng)熔覆粉末為Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si)。復(fù)合涂層中沒(méi)有裂紋產(chǎn)生,僅有少量的氣孔,且與基體結(jié)合良好。激光熔覆Ni-Mo-Si復(fù)合涂層以α-Ti、NiTi為基體,以Ti_5Si_3、TiSi_2、Mo_5Si_3、MoSi_2為硬質(zhì)增強(qiáng)相,其中以Ti_5Si_3居多。不同粉末配比的熔覆涂層,隨著Ni含量的增加,基體相增多,硬質(zhì)相Ti_5Si_3得到細(xì)化。涂層N1、N2、N3的平均顯微硬度分別為917.5 HV_(0.5)、850.8 HV_(0.5)、795.6 HV_(0.5),分別為Ti6Al4V合金基體(350 HV_(0.5))的2.6、2.4、2.3倍,可見涂層隨Mo-Si含量減少,硬度略有降低。Ti6Al4V合金高溫800℃下100小時(shí)的空氣氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循直線定律,100 h后,其單位面積增重約為23.38 mg/cm~2,表面氧化嚴(yán)重。表面氧化膜厚度約為100μm,主要為疏松多孔的TiO_2。并且出現(xiàn)分層和裂紋,與涂層之間發(fā)生分離、剝落,高溫抗氧化性能差。涂層N1的高溫氧化試驗(yàn)開始表現(xiàn)為失重,至60 h時(shí)計(jì)算得涂層增重仍然為負(fù)值-0.31 mg/cm~2,直至80 h后增重為0.21 mg/cm~2,100 h后為1.31 mg/cm~2,單位面積增重只有鈦合金基體的5.6%,抗氧化性能優(yōu)異。涂層N2氧化動(dòng)力學(xué)曲線與涂層N1相似,同樣是初期階段失重,至10 h時(shí)計(jì)算得涂層增重為-0.11 mg/cm~2,14h后為0.09 mg/cm~2,100 h后為2.81 mg/cm~2,單位面積增重為鈦合金基體的12%,抗氧化性能良好。涂層N3的高溫動(dòng)力學(xué)曲線接近于拋物線,并沒(méi)有表現(xiàn)出失重,氧化100 h后單位面積增重為13.54 mg/cm~2,單位面積增重是鈦合金的57.9%,抗氧化性能有一定的提升。室溫下,Ti6Al4V合金的摩擦系數(shù)為0.52,磨損率為22.6×10~(-5)mm~3/Nm,磨損機(jī)理為氧化磨損、塊狀剝落和犁溝;涂層N1、N2和N3的摩擦系數(shù)為分別0.44、0.36和0.43,磨損率分別為16.2×10~(-5)mm~3/Nm、11.2×10~(-5)mm~3/Nm和17.5×10~(-5)mm~3/Nm。常溫下,三種涂層的耐磨損性能較鈦合金基體均有一定的提升,其中以涂層N2最為優(yōu)異。高溫800℃下,Ti6Al4V合金的摩擦系數(shù)為0.46,磨損率為13.9×10~(-5)mm~3/Nm;涂層N2的摩擦系數(shù)為0.28,磨損率為0.65×10~(-5)mm~3/Nm。涂層N2在高溫800℃下的磨損性能對(duì)比其常溫下的磨損性能或者同環(huán)境下鈦合金基體的磨損性能均有很大提升,常溫和高溫耐磨性優(yōu)異。綜上所述,在本文的材料成分和試驗(yàn)條件下,激光熔覆Ni-42%Mo-28%Si復(fù)合涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能和耐磨損性能。為擴(kuò)展鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫、高磨損工作環(huán)境下的應(yīng)用提供涂層制備材料體系的理論參考。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

i5Si3硬質(zhì)相，涂層具有較高硬度，但隨著硬質(zhì)相增多，涂層脆性大，耐磨性溫條件下，涂層表面主要為疏松多孔的 TiO2、Cr2O3和 SiO2氧化物。由于有較高親和性，具有較低反應(yīng)吉布斯自由量，所以氧化物中 TiO2含量較多孔的 TiO2氧化層不能阻止氧氣的擴(kuò)散，氧化層進(jìn)一步氧化變厚，脆性 T達(dá)到一定厚度容易發(fā)生脫落，脫落的表面氧化物有重新形核與長(zhǎng)大，如此金原材料被消耗掉[26]。Guo C[27]等在純鈦表面激光熔覆 NiCrBSi 和 NiCrBSi/WC 混合粉末制備復(fù)涂層顯微硬度和連續(xù)升溫氧化性能進(jìn)行研究。其結(jié)果表明：熔覆 NiCrBBSi/WC 的復(fù)合涂層硬度均有明顯提升，如圖 1-1，耐磨性也優(yōu)于純鈦基程中（約 2 小時(shí)），純鈦基體在 300 ℃時(shí)開始被氧化，500 ℃時(shí)，氧化速；兩種復(fù)合涂層在 750 ℃以下沒(méi)有增重，可以保護(hù)純鈦基體。在 700-900由于 WC 的氧化，添加了 WC 的涂層比沒(méi)有添加的涂層氧化速度明顯增加2 所示。

圖 1-2 純 Ti 基體和激光熔覆涂層氧化過(guò)程中質(zhì)量隨溫度變化曲線[27] 激光熔覆高溫抗氧化復(fù)合涂層金屬材料的高溫氧化過(guò)程主要由界面反應(yīng)和元素?cái)U(kuò)散組成，其界面由氣體與面和氧化層與金屬界面組成。氧分子在碰撞金屬表面時(shí)產(chǎn)生物理吸附，之后解成氧原子與金屬離子分離電子反應(yīng)，隨著氧原子增加，氧原子與金屬離反應(yīng)，氧化產(chǎn)物在金屬表面形核，晶核沿金屬表面平行生長(zhǎng)，并在金屬表面薄的氧化膜，氧化膜將空氣與金屬隔開，金屬表面進(jìn)一步的氧化需要元素。即氧原子通過(guò)氧化膜向內(nèi)擴(kuò)散，金屬原子通過(guò)氧化膜向外擴(kuò)散，兩者在反生氧化反應(yīng)，氧化膜增厚。所以金屬是否具有抗氧化性能，主要在于氧化膜，能否阻止氧原子的內(nèi)擴(kuò)散與金屬原子的外擴(kuò)散。Al2O3、SiO2和 Cr2O3為連續(xù)致密氧化物，能有效阻止氣體的擴(kuò)散，是理想氧化材料[28-30]。Zafir Alam M[31]和 Yoon J K[32]等研究 WSi2涂層高溫氧化

O3，氧化動(dòng)力學(xué)曲線近似符合拋物線規(guī)律，如圖1-3(a)所示。復(fù)合涂層表面生成的一層氧化膜連續(xù)致密，如圖 1-3(b)所示，具有良好的高溫抗氧化性能。圖 1-3 (a) 等離子熔覆涂層氧化動(dòng)力曲線，(b) 氧化膜表面形貌 SEM 照片[33]張來(lái)啟[34]在 45 號(hào)鋼基體激光熔覆 MoSi2粉末涂層，研究其組織結(jié)構(gòu)和硬度。結(jié)果表明：涂層的相組成為 FeMoSi、Fe2Si 和少量的 Mo5Si3。涂層硬度可達(dá) 845 HV0.5，基體硬度為 180 HV0.5，涂層硬度比基體高 3.7 倍。鄭亮[16]在 TC4 合金表面分別激光熔覆純 Ti 粉、Ti-15%(Mo-Si) 和 Ti-30%(Mo-Si) 混合粉末。結(jié)果顯示，熔覆Ti-30%(Mo-Si) 涂層上部出現(xiàn)了鑲嵌在涂層中的分塊狀 Mo5Si3、MoSi2硬質(zhì)相
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2878847