激光增材制備Ti-6Al-4V/TiC金屬陶瓷熔覆層組織與性能強(qiáng)化

前言

Ti-6Al-4V合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在航空航天、化工和汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，其硬度與耐磨性的不足，特別是在高摩擦磨損環(huán)境下，限制了其使用壽命。為了解決這一問(wèn)題，本研究采用激光增材制造技術(shù)，通過(guò)在Ti-6Al-4V合金中添加TiC陶瓷顆粒，制備了具有增強(qiáng)性能的金屬陶瓷熔覆層。

Ti-6Al-4V 也被稱(chēng)為 TC4.

實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用了激光熔覆技術(shù)，在Ti-6Al-4V合金基體上制備了含有TiC增強(qiáng)相的熔覆層。采用TC4合金板為基材，尺寸為100mm×100mm×15mm，用砂紙去除氧化膜，并用酒精清洗干凈晾干后備用。選用15%TiC+85%TC4作為熔覆合金粉末，使用XQM-2型行星式球磨機(jī)混合粉末，球料質(zhì)量比為1∶1，轉(zhuǎn)速為600r/min，球磨時(shí)間為4h，使粉末混合均勻。其中TC4粉末為球狀，粒徑約為53~150μm；TiC粉末呈塊狀、片狀及細(xì)小的屑狀，粒徑約為5~50μm，混合粉末化學(xué)成分見(jiàn)表1，微觀形貌如圖1所示。

通過(guò)優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，確保了熔覆層與基體之間的良好結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)了TiC在熔覆層中的均勻分布。隨后，對(duì)熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度、摩擦磨損性能等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和測(cè)試。

結(jié)果與討論

微觀結(jié)構(gòu)分析

熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)顯示，其主要物相包括α-Ti、β-Ti以及TiC。在熔覆層中，TiC呈現(xiàn)出過(guò)飽和析出的現(xiàn)象。由于熔覆層不同位置的過(guò)冷度差異，TiC的析出形態(tài)也有所不同。在熔覆層頂部，TiC主要以細(xì)小的顆粒狀析出；而在熔覆層中部，則主要呈樹(shù)枝及花瓣?duì)钗龀觯辉谌鄹矊拥撞?，新增了麥穗狀的析出形狀。此外，在熔覆層與基體的界面處，未見(jiàn)明顯的TiC析出，這有助于保證熔覆層與基體之間的良好結(jié)合。

顯微硬度測(cè)試

顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，熔覆層的平均顯微硬度為530HV0.5，較基體提升了61%。這一顯著的提升主要?dú)w因于TiC陶瓷顆粒的增強(qiáng)作用。TiC作為一種高硬度材料，其在熔覆層中的均勻分布有效提高了熔覆層的整體硬度。

摩擦磨損性能測(cè)試

在35N載荷下，熔覆層的平均摩擦因數(shù)為0.3583，較基體降低了11%。同時(shí)，熔覆層的體積磨損率約為基材的87%。這說(shuō)明TiC的添加不僅提高了熔覆層的硬度，還改善了其摩擦磨損性能。通過(guò)觀察磨損表面形貌，發(fā)現(xiàn)熔覆層的磨損形式主要為黏著磨損和磨粒磨損。其中，黏著磨損主要發(fā)生在熔覆層與對(duì)磨件之間，而磨粒磨損則是由熔覆層中析出的TiC顆粒在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的。

熔覆層性能優(yōu)化機(jī)制

TiC陶瓷顆粒在熔覆層中的過(guò)飽和析出，形成了均勻分布的增強(qiáng)相。這些增強(qiáng)相不僅能夠提高熔覆層的硬度，還能夠有效抵抗摩擦磨損過(guò)程中的應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展。此外，TiC的析出形態(tài)和分布狀態(tài)也對(duì)熔覆層的性能產(chǎn)生了重要影響。在熔覆層頂部，細(xì)小的TiC顆粒能夠增加熔覆層的表面粗糙度，從而提高其摩擦系數(shù)；而在熔覆層中部和底部，樹(shù)枝狀和麥穗狀的TiC析出則能夠增強(qiáng)熔覆層的韌性和抗裂性。

結(jié)論

本研究通過(guò)激光增材制造技術(shù)成功制備了具有TiC增強(qiáng)相的Ti-6Al-4V合金金屬陶瓷熔覆層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiC的添加顯著提高了熔覆層的硬度和耐磨性。熔覆層的平均顯微硬度較基體提升了61%，平均摩擦因數(shù)降低了11%，體積磨損率約為基材的87%。此外，TiC在熔覆層中的過(guò)飽和析出和均勻分布是熔覆層性能提升的關(guān)鍵因素。本研究為T(mén)i-6Al-4V合金在摩擦磨損工況下的應(yīng)用提供了新的思路和方法。

而同樣作為表面改性工藝，納米蒸氣粉體包覆技術(shù)則通過(guò)絲材電爆制粉工藝，為微米粉末賦予了納米級(jí)的獨(dú)特性質(zhì)。

納米蒸氣粉體包覆工藝

納米蒸氣粉體包覆指的是利用絲材電爆制粉工藝，在微米金屬/非金屬粉末表面包覆納米金屬粉末層，兩者間形成熔融焊接結(jié)合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

其原理是利用絲材電爆制備金屬納米粉的原理，同時(shí)在與金屬絲同軸且呈圓柱形的空間內(nèi)分布基體微米粉末（金屬或非金屬），使之形成含微米粉體的“氣柱”。金屬絲電爆氣化后產(chǎn)生的納米蒸氣和基體粉末碰撞，使納米金屬蒸汽在基體粉末表面冷凝，形成被納米金屬層包覆的復(fù)合微米粉。通過(guò)控制基體粉末的循環(huán)時(shí)間、金屬絲的直徑、單次電爆炸的金屬絲長(zhǎng)度、電爆頻率，實(shí)現(xiàn)基體粉末表面金屬包覆量的控制。