鈦合金具有比強度高、耐腐蝕和生物相容性好等優(yōu)點,已在航空航天、化工、醫(yī)療器械等領域得到廣泛應用。但表面易磨損、高溫下氧化嚴重等缺點制約了其作為關鍵高溫運動零部件的使用。激光熔覆是表面改性技術的一種,可在鈦合金表面制備出沒有氣孔、裂紋等缺陷,且與鈦合金結合良好的復合涂層。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合涂層,無疑是一種經(jīng)濟、有效的方法。為了同時改善鈦合金的高溫抗氧化和摩擦學性能,研究并開發(fā)先進復合材料涂層新體系。選用Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si(質(zhì)量分數(shù),Mo與Si按原子比1∶2計算)混合粉末為原料,采用激光熔覆技術,在Ti6Al4V合金表面制備復合涂層。使用維氏顯微硬度計、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Ti6Al4V合金和三種涂層進行了時長為100 h的高溫(800℃)氧化試驗,結合熱力學及動力學分析了相應的氧化機理。使用高溫摩擦磨損試驗機對Ti6Al4V合金和涂層進行了室溫和高溫(800℃)摩擦磨損試驗,分析其磨損機理。實驗結果表明:在Ti6Al4V合金表面激光熔覆制備出高溫抗氧化和耐磨復合涂層N1、N2、N3(對應熔覆粉末為Ni-48%Mo-32%Si、Ni-42%Mo-28%Si、Ni-36%Mo-24%Si)。復合涂層中沒有裂紋產(chǎn)生,僅有少量的氣孔,且與基體結合良好。激光熔覆Ni-Mo-Si復合涂層以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小時的空氣氧化動力學曲線遵循直線定律,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的高溫氧化試驗開始表現(xiàn)為失重,至60 h時計算得涂層增重仍然為負值-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氧化動力學曲線與涂層N1相似,同樣是初期階段失重,至10 h時計算得涂層增重為-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的高溫動力學曲線接近于拋物線,并沒有表現(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條件下,激光熔覆Ni-42%Mo-28%Si復合涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能和耐磨損性能。為擴展鈦合金在發(fā)動機等高溫、高磨損工作環(huán)境下的應用提供涂層制備材料體系的理論參考。
【學位單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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散，氧化層進一步氧化變厚，脆性 T達到一定厚度容易發(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 混合粉末制備復涂層顯微硬度和連續(xù)升溫氧化性能進行研究。其結果表明：熔覆 NiCrBBSi/WC 的復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），純鈦基體在 300 ℃時開始被氧化，500 ℃時，氧化速；兩種復合涂層在 750 ℃以下沒有增重，可以保護純鈦基體。在 700-900由于 WC 的氧化，添加了 WC 的涂層比沒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程中質(zhì)量隨溫度變化曲線[27] 激光熔覆高溫抗氧化復合涂層金屬材料的高溫氧化過程主要由界面反應和元素擴散組成，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，隨著氧原子增加，氧原子與金屬離反應，氧化產(chǎn)物在金屬表面形核，晶核沿金屬表面平行生長，并在金屬表面薄的氧化膜，氧化膜將空氣與金屬隔開，金屬表面進一步的氧化需要元素。即氧原子通過氧化膜向內(nèi)擴散，金屬原子通過氧化膜向外擴散，兩者在反生氧化反應，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)擴散與金屬原子的外擴散。Al2O3、SiO2和 Cr2O3為連續(xù)致密氧化物，能有效阻止氣體的擴散，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，氧化動力學曲線近似符合拋物線規(guī)律，如圖1-3(a)所示。復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力曲線，(b) 氧化膜表面形貌 SEM 照片[33]張來啟[34]在 45 號鋼基體激光熔覆 MoSi2粉末涂層，研究其組織結構和硬度。結果表明：涂層的相組成為 FeMoSi、Fe2Si 和少量的 Mo5Si3。涂層硬度可達 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】

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1 張龍華;劉元富;韓云龍;孫廣寶;李榮華;張谷令;;等離子熔敷MoSi_2+TiC/γ-(Ni,Fe)復合涂層顯微組織及其抗高溫氧化性能[J];材料熱處理學報;2015年12期

2 曾尚武;江海濤;趙愛民;;TC4鈦合金高溫氧化行為[J];稀有金屬材料與工程;2015年11期

3 姬壽長;李爭顯;羅小峰;杜繼紅;華云峰;王彥鋒;;TC21鈦合金表面無氫滲碳層耐磨性分析[J];稀有金屬材料與工程;2014年12期

4 王蘭;王樹奇;張秋陽;;摩擦層的形成對TC4合金磨損性能的影響[J];摩擦學學報;2014年06期

5 趙永慶;葛鵬;;我國自主研發(fā)鈦合金現(xiàn)狀與進展[J];航空材料學報;2014年04期

6 顏建輝;胡小平;唐思文;許劍光;;等離子噴涂工藝參數(shù)對二硅化鉬涂層微觀結構的影響[J];熱加工工藝;2012年10期

7 魏承煬;李賽毅;;溫度梯度對晶粒生長行為影響的相場模擬[J];物理學報;2011年10期

8 席俊杰;阿米娜·艾拜;王利秋;;SiC/MoSi_2復合材料1300℃氧化行為研究[J];材料導報;2010年02期

9 郭鐵明;馬勤;季根順;周琦;賈建剛;;ZrO_2/MoSi_2復合電熱材料的高溫氧化行為[J];有色金屬;2008年04期

10 楊森;王三軍;龔濤;劉文今;;鋁合金表面MOSi_2/SiC復合涂層的激光熔覆制備[J];材料熱處理學報;2007年S1期

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2 劉明;原位合成Ti_5Si_3基復合材料及其性能研究[D];哈爾濱工程大學;2012年

3 劉睿;Cr23Ni13鋼的高溫氧化動力學及其組織變化研究[D];哈爾濱工程大學;2005年

本文編號：2878847