钛合金表面激光原位合成TiN/Ti3Al涂层的微观结构与力学性能

论文摘要

基于快速凝固的钛合金表面激光熔覆技术,是合成高性能多功能先进涂层新材料的新方法。本文以Ti与A1N高温下的化学反应为理论背景,采用激光原位合成方法,在Ti6A14V钛合金表面成功制备出TiN/Ti3A1功能复合涂层,着重分析复合涂层的微观结构与显微硬度等力学性能,旨在为解决钛合金耐磨性差和高温抗氧化性能低等固有性能缺陷提供理论依据并奠定一定的工艺基础。通过体视显微镜分析了预置层成分配比和激光功率密度对复合涂层宏观形貌的影响；运用X射线衍射仪（XRD）对不同工艺参数下所得复合涂层的物相分别进行了定性和定量分析；借助扫描电镜（SEM）并结合EDS能谱分析研究了激光功率密度对复合涂层微观结构的影响规律；采用显微硬度计测试了涂层截面的显微硬度。复合涂层宏观形貌分析显示,Ti与A1N成分配比（摩尔比）为4：2时,在可允许激光功率密度条件下,涂层表面均出现不同程度的熔合缺陷；而成分配比为4：1、激光功率密度为1.528x104W·s·cm-2时,涂层表面熔合充分,无气孔和裂纹出现。XRD物相定性分析证实了复合涂层的物相种类与成分配比和激光功率密度均基本无关,即涂层皆主要由TiN和Ti3A1两相组成。XRD物相定量分析结果表明,涂层中两相的含量以及TiN增强相晶格常数均随激光功率密度的增大呈规律性变化。表明在激光熔池快速冷却条件下,涂层内出现了非平衡相,即使在偏离化学计量的配比下,激光原位合成也能获得单相纯净的TiN和Ti3A1产物。SEM显微组织观察结果显示,复合涂层组织形态与预置层成分配比和激光功率密度密切相关。涂层中TiN增强相主要呈现颗粒状、棒状和细小枝晶状三种基本形态,而Ti3A1基体主要表现为针状组织。成分配比为4：1时,TiN增强相的形貌随激光功率密度的增大由棒状逐渐向颗粒状转变,涂层组织趋于致密均匀化。复合涂层截面显微硬度分布曲线表明,预置层成分配比为4：1时,显微硬度自基体至涂层表面逐渐增大且过渡平稳,涂层平均显微硬度随激光功率密度的增大而增大,最高可达844 HV0.2,约为基体合金显微硬度（250 HV0.2）的3.4倍。显微硬度的提高对改善基体钛合金的耐磨性将起到有益作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 钛合金的表面改性
• 1.3 钛合金表面激光熔覆复合涂层材料选择
• 1.3.1 复合涂层材料选择原则
• 1.3.2 涂层材料体系
• 1.4 钛合金表面激光熔覆复合涂层研究现状
• 1.4.1 氧化物陶瓷-金属复合涂层
• 1.4.2 非氧化物系陶瓷-金属复合涂层
• 1.4.3 金属间化合物基复合涂层
• 1.4.4 研究存在问题及展望
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第二章 复合涂层制备及其性能表征
• 2.1 钛合金的性能、成分及试样制备
• 2.2 粉末的成分、性能及涂层试样制备
• 2.3 激光原位复合涂层合成装置及原理
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 合成工艺原理
• 2.4 试验工艺方案
• 3Al复合涂层结构设计'>2.4.1 TiN/Ti₃Al复合涂层结构设计
• 3Al复合涂层工艺参数'>2.4.2 原位合成TiN/Ti₃Al复合涂层工艺参数
• 2.5 复合涂层性能表征
• 2.5.1 涂层表面宏观形貌观察
• 2.5.2 XRD和SEM测试
• 2.5.3 涂层试样的显微硬度
• 2.6 本章小结
• 3Al复合涂层宏观形貌'>第三章 TiN/Ti₃Al复合涂层宏观形貌
• 3.1 成分对复合涂层宏观质量的影响
• 3.2 工艺参数对复合涂层宏观质量的影响
• 3.3 本章小结
• 3Al复合涂层组织结构特征'>第四章 TiN/Ti₃Al复合涂层组织结构特征
• 4.1 涂层组成分析
• 4.1.1 涂层XRD物相分析
• 4.1.2 TiN点阵常数的精确测定
• 4.2 涂层结构分析
• 4.2.1 涂层的微观组织
• 4.2.2 成分配比对复合涂层微观结构的影响
• 4.2.3 功率密度对复合涂层微观组织的影响
• 4.3 本章小结
• 3Al复合涂层的形成机制及其力学性能'>第五章 TiN/Ti₃Al复合涂层的形成机制及其力学性能
• 5.1 激光原位合成复合涂层形成机制
• 5.2 复合涂层显微硬度
• 5.2.1 不同成分涂层试样截面显微硬度
• 5.2.2 不同激光功率密度下涂层试样截面显微硬度
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文目录
• 附录B 攻读硕士期间所获奖项