摘 要

原位生成法制备的陶瓷/金属基复合涂层因为陶瓷增强体是在金属基体内形核，之后自发长大，因而此法制备的复合涂层具备增强体表面洁净，基体和增强体之间的相溶性良好和界面结合强度较高等优点。本文以改善Ti-6Al-4V合金的耐磨性为宗旨，利用激光熔覆的方法在钛合金表面原位反应制备Ti（C、N）/TiB增强钛基涂层，熔覆粉末原料成分为：35BN-15C-50Ti(wt%)，其中BN粉末和石墨粉的摩尔比为1:1，BN粉末和石墨粉的质量占混合粉末总质量的50%。本课题系统研究了激光扫描速度对增强涂层的宏、微观形貌，微观组织及性能的影响。通过XRD、OM、SEM、EPMA等手段对涂层的微观组织形貌、物相构成和元素分布进行分析，利用维氏硬度仪对涂层的截面硬度分布进行测定，并利用球盘摩擦磨损仪测定了涂层的耐磨性能。

研究结果显示，激光熔覆时的扫描速度对涂层的微观组织形貌、宏观形貌、硬度和耐磨性的影响颇大。不同激光扫描速度的样品沿熔深方向，由表及里都主要由三个区域构成，分别是熔融区（MZ, melting zone）、热影响区（HAZ, heat affected zone）以及基体区（substrate）。熔覆层主要由TiB和TiC_0.3N_0.7 硬质增强相，以及Ti基体构成。熔覆层的硬度随着激光扫描速度的降低先增后减，且均高于基体材料的硬度。在所研究的实验条件下，即试样表面激光功率密度为170W/m²时，240mm/min为与之所匹配的最佳激光扫描速度，此时获得的涂层表面较为平整和光滑，涂层内部无气孔，且组织分布较为均匀。熔覆层的最大平均硬度为491HV，相比基体材料的325HV，平均硬度提高约0.5倍。磨损测验结果表明，在与氧化锆球对磨时，涂层的摩擦系数波动明显小于未处理的基体。并且在给定实验条件下，涂层的磨损体积约为基体的一半，耐磨性较基体提高约一倍，且均以磨粒磨损为主。

关键词：Ti-6V-4V；激光熔覆；TiB；TiC_0.3N_0.7；耐磨性

Abstract

Ceramic / metal matrix composite coating is prepared by in-situ method, because the ceramic reinforcement is nucleated in the metal matrix, and then grow up spontaneously, so the composite coating prepared with this method has many advantages. The surface of the reinforcement is clean. And the interface bonding strength is high. And the interface bonding strength is high and so on. In order to improve the wear resistance of Ti-6Al-4V alloy, we adopt laser cladding method to prepare Ti (C, N) / TiB reinforced titanium-based coating on the surface of titanium alloy. The raw material of the cladding powder is composed of 35BN-15C-50Ti (wt%), in which the molar ratio of BN powder and graphite powder is 1:1, and the mass of BN powder and graphite powder account for 50% of the total mass of the mixed powder. In this paper, the effects of laser scanning speed on the macro, micro morphology, microstructure and properties of the coating were systematically studied. The microstructures, phase composition and element distribution of the coatings were analyzed by means of XRD, OM, SEM and EPMA. The hardness distribution of the coatings was measured by Vickers hardness tester. The abrasion resistance of the coating was measured by pin-on-disk wear tester.

The results show that the scanning speed of laser cladding has a great influence on the microstructure, macroscopic morphology, hardness and abrasion resistance of the coating. The samples with different laser scanning speeds are composed of three regions, namely, melting zone (MZ), heat affected zone (HAZ) and substrate (bottom). The cladding layer is mainly composed of TiB and TiC_0.3N_0.7 hard reinforcing phase and Ti matrix. The hardness of the cladding layer increases first and then decreases with the decrease of the laser scanning speed, and is higher than the hardness of the matrix material. Under the experimental conditions, when the laser power density of the sample surface is 170W/m², 240mm/min is the best laser scanning speed. At this time, the obtained coating surface is flat and smooth, and there is no air hole inside the coating, and the distribution of the coating is even. The average hardness of the cladding layer is 491HV, and the average hardness is increased by about 0.5 times compared to 325HV of the base material. The test results of wear showed that the friction coefficient of the coating is significantly smaller than that of the untreated substrate when the ball is rubbed against zirconia balls. And under the given experimental conditions, the wear volume of the coating is about half of that of the substrate, and the wear resistance is about twice as high as that of the substrate, and the abrasive wear is the main.

Key Words：Ti-6V-4V；Laser cladding；TiB；TiC_0.3N_0.7；Abrasion resistance

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 激光熔覆技术 2

1.2.1 激光熔覆技术的特点 2

1.2.2 激光熔覆材料 3

1.2.3 激光熔覆设备及工艺 4

1.3 钛合金表面激光熔覆技术的研究现状 6

1.4 本文的主要研究目的及内容 7

第2章 实验材料及方法 8

2.1 序言 8

2.2 实验材料 8

2.3 实验试样的预制备 9

2.4 激光熔覆设备工艺参数及过程 10

2.5 激光熔覆层显微组织及相的分析方法 11

2.6 激光熔覆层维氏硬度及耐磨性的测量 12

第3章 激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的组织和性能研究 14

3.1激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的宏观和微观形貌观察 14

3.2激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的微观组织分析 18

3.2.1激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的X射线衍射分析 18

3.2.2激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的电子探针分析 19

3.3激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层的形成机理 20

3.4激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层维氏硬度测试与分析 21

3.5激光熔覆Ti(C,N)/TiB涂层耐磨性能分析 22

3.5.1磨损量和磨擦系数 23

3.5.2 摩擦机理 28

第4章 总结与展望 33

4.1主要研究结论 33

4.2后期研究展望 33

参考文献 34

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

随着我国航空航天、船舶、医疗等高科技领域的飞速发展，对钛合金的需求量也在逐步加大，同时对其性能的要求也越来越严苛。Ti-6Al-4V合金的耐热性、耐蚀性、韧性、塑性、成形性和可焊性等性能均较为优秀，加之其比强度颇高，因此，每年在上述高科技领域中消耗的钛合金中75%～85%为Ti-6Al-4V合金。然而，航空航天、船舶、医疗等领域的工作环境对合金材料的耐高温、耐磨、抗氧化、生物相容性、疏水和疏冰等性能的要求较高，这些要求对Ti-6Al-4V合金的应用也造成了不小的影响，其中数耐磨性的限制尤为显著 ^[1]。因此，应用表面改性技术减弱或消除Ti-6Al-4V合金耐磨性差的性能缺陷，提高其综合性能，以提升Ti-6Al-4V合金在这些重要领域内的应用程度具有重要研究意义。目前改善材料表面耐磨性的技术已经多如牛毛，比如传统涂层技术CVD、PVD、离子注入、热喷涂等，但是这些传统方法均多多少少存在着加工效率低，热处理变形大，制造过程繁琐，成本高，结合强度不高和涂层厚度薄等缺点^[2-10]，使得这些表面改性方法对基体材料的增强效果都不太理想。

为了使Ti-6Al-4V合金的耐磨性能达到在航空航天、船舶及医疗等高科技领域长时间服役的要求，就需要使用更先进的表面改性技术对Ti-6Al-4V合金进行表面改性，以提高其耐磨性。得益于目前对激光技术研究的深入，对激光熔覆技术的研究也迅速开展，这使得激光熔覆技术成为表面改性技术中一种有效的新手段。激光熔覆技术为用不同的填料方式在需要强化的基体材料表面上预置用于强化的材料后，使用激光束进行扫射，使基体表面和涂层材料同时熔化，之后急速冷却凝固形成涂层的一种表面改性技术，所形成的涂层具有与基体材料成冶金结合和稀释度极低等特点，因此使基体材料性能得到明显提升，激光熔覆所制备的涂层具备如下优点：①激光熔覆制备的熔覆层组织具有很高的化学均匀性，并且产生的晶粒十分细小，对基体合金起了很大的强化作用；②因为激光对工件的热输入小，所以基体材料受到的热影响很小，因此工件的变形也很小，而且工件整体铸造粗糙度有很大的改善，减少二次磨削工作量，纤维组织更致密和极少偏析，表面平整光滑；③可以对传统表面改性方法无法加工的复杂工件进行处理，并且可以用不同的激光处理方法对同一个工件的多个位置同时进行加工；④由于激光加工的速热和快冷，使得工件加工具有周期短、生产效率高、加工过程容易使用计算机进行控制、自动化水平高、易形成生产流水线等特点；⑤激光加工的冷却过程完全依靠热量由内到外的自传导，去掉了对冷却介质的需求，完全不污染环境；⑥由于激光的输入能量可控，使得对基材的稀释作用得到了很大的限制 (一般为2 %～8 %)，这让基材的优秀性能得到了最大限度的保留，激光熔覆层与基材之间结合牢固(冶金结合或扩散结合)等等^[11-15]。而原位合成是通过使用不同的元素或化学物，再加上一定的条件，使反应物之间发生化学反应，从而在金属基体的内部形成一种或一种以上的高弹性模量和高硬度的金属间化合物或陶瓷增强体，以达到增强基体的目的，由于激光熔覆技术是激光加工结合原位合成，因此可制备出涵盖基体材料和陶瓷增强相两者优良性能的金属陶瓷复合涂层，除此之外，所制备的涂层中的增强相能够很好的润湿基体，冶金结合强；涂层组织匀称细致，涂层表面清洁、平整，这些都极大地改善了基体材料的耐磨性，硬度和强度等。