钛合金激光表面改性技术研究现状(3)

2020-12-14 00:08

钛合金密度小, 比强度高, 具有良好的耐蚀性、 疲劳抗力, 广泛应用于航空航天、 国防、 汽车、 医疗等领域。然而, 钛合金摩擦系数高、 对粘着磨损和微动磨损非常敏感、 耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点, 制约了它的应用。表面改性技术, 尤其是激光表面改性技术为这一问题的解决提供了一条有效的途径, 综述了国内外钛合金激光表面改性技术的研究现状, 主要介绍了激光熔覆、 激光合金化和激光熔凝技术及其在钛合金表面

CaCO3混合粉末及相应的过渡层并进行激光熔覆处理,获得了以TC4为基的含羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层复合材料,同时研究了稀土元素的加入对于生物陶瓷涂层组织的影响。结果表明,Y2O3不仅对涂层组织有细化作用,而且对激光合成HA有催化作用并能使HA相结构保持稳定。

陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能,但其脆性较大、耐疲劳性能差、对应力和裂纹敏感,且难以加工,使其应用受到了限制。钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层技术的研究拓宽了陶瓷材料的应用范围,将陶瓷材料的优异性能和钛合金材料的强韧性和良好的工艺性有机结合起来,发挥两类材料的韧性等)和环综合优势,同时满足对结构性能(强度、境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要,获得相当理想的复合材料结构。因此近几年关于钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究越来越多,李崇桂等

[25]

图2激光重熔ZrO2-7%Y2O3(质量分数)涂层表面形貌

层,出现紧密堆积的柱状晶结构,柱状晶定向处延生长,垂直于基体表面,同时,柱状晶组织对于减少由基体与热障涂层膨胀系数不同产生的应力也相当有效。冷却速度快使高温平衡相保留到室温,这样就避免了伴有体积变化的相转变,而是形成亚稳相,此时,立方相急冷将是无扩散转变而变成四方相(t′)。众多研究表明:激光重熔对于改善等离子喷涂热障涂层性能作用明显。

研究了激光

熔覆(重熔)对TC4钛合金表面等离子喷涂Al2O3-13%TiO2(质量分数)涂层组织与性能的影响。本课题组也开展了TC4钛合金表面激光重熔预置等离子喷涂陶瓷涂层的研究,在等离子喷涂过程中,为了缓解陶瓷涂层与钛合金基体之间较大的物理性能差异,以北京矿冶研究总院金属材料所生产粒度为-140 ̄+325目以松弛应力,避免涂KF-113A合金粉末作为过渡层,

层开裂。图1为激光重熔等离子喷涂Al2O3-13%TiO2(质量分数)陶瓷涂层的表面形貌。经过激光重熔处理后,陶瓷涂层颗粒细化,片层状组织得以消失,致密性提高,硬度、耐磨性和抗冲蚀性能明显提高。图2为激光重熔等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3(质量分数)热障陶瓷涂层的表面形貌。在对热障涂层的激光重熔过程中,高能热源快速移动,材料快速凝固产生均匀、致密的显微结构,且表面光洁度高。经过激光重熔的热障涂

3激光合金化

激光合金化是在高能束激光作用下,将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝,即利用激光改变金属及合金表面的化学成分,该方法具有以下优点:1)在金属零件的局部表面处理后能获得高级合金的性能;2)改性层深度和宽度得到精密控制;3)由于激光加热层温度梯度大,故结合层窄,结合质量好,而且对基体金属性能的不利影响极小。

激光合金化与激光熔覆的不同之处在于:激光合金化是使添加的合金元素和基材表层在液态下充分混合而形成合金化层;而激光熔覆则是使预涂层全部熔化而基体表层微熔,从而使熔覆层与基体材料形成冶金结合而保持熔覆层的成分基本不变。

钛合金表面激光合金化依据所添加材料的性质可分为两大类,即气相和固相合金化。激光气相合金化大多采用氮气或混合气体[26 ̄31]。激光氮化是在氮气环境下(保持压力为3 ̄5×103Pa)利用激光辐照熔化钛合金基材表面,并在钛合金表面形成组织致密、厚度为400 ̄1000mm的氮化层。LimaM.S.F.等[28]曾对纯钛进行激光氮化研究,发现当光束直径为0.7mm,激光功率为500W时,氮化层的扫描速度为5mm/s,

图1激光重熔Al2O3-13%TiO2(质量分数)涂层表面形貌

性能较好。YueT.M.等[29]将Ti-6Al-4V钛合金激光

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