摘 要

在航空航天领域，Ti-6Al-4V合金是各类航空飞行器中重要的结构材料，但Ti-6Al-4V合金存在不容易润滑、摩擦系数大、耐磨性差、容易粘着、高温抗氧化性差等问题，没有办法为工件提供所需强度。近年来，由于TiC陶瓷相的高耐磨性、高硬度和杰出的耐高温性等引起越来越多的关注。它作为优质的增强相在金属基复合材料工程应用等方面发挥了越来越重要的作用，而TiAl系金属间化合物作为新型的轻质和耐高温的结构材料，是目前研究的热点。利用激光熔覆技术制备耐磨涂层能够大大改善基体性能，降低损耗，提高材料的性价比。若采用激光熔覆，在Ti-6Al-4V合金表面熔覆一层以高温抗氧化性能优异的TiAl金属间化合物为基体，利用高强硬度和耐磨性好的TiC陶瓷作为增强体，这样生产出的部件不但可以保证较高的强硬度，还能得到很好的高温及耐磨性能。

本文采用激光熔覆技术以Ti粉、Al粉和石墨C粉为原始粉末按照一定比例混合，在Ti-6Al-4V基体上制备TiC/TiAl基复合涂层，增强Ti-6Al-4V的性能。利用XRD分析检测、FESEM、显微硬度测试对分析了涂层的物相组成、组织结构、显微硬度，探讨了物相、组织结构的形成过程，结果表明：XRD分析检测表明，复合涂层中存在TiAl、Ti₃Al金属间化合物及TiC陶瓷相；利用FESEM分析TiC的在截面方向的颗粒状、细棒状和枝晶状的组织形貌；显微硬度测试出涂层顶部硬度最高，中部次之，基体的硬度最小，涂层有明显地提高材料硬度的作用。经过分析与测试得出结论：TiAl、Ti₃Al金属间化合物和TiC陶瓷相的存在改善了基体的硬度性能，利用激光技术对Ti-6Al-4V进行涂层熔覆，是一种节约成本，提高产业经济效益的有效手段，其在耐磨性能和高温抗氧化性能的提升有潜在的应用前景。

关键词：激光熔覆 原位合成 TiAl-TiC复合涂层 硬度

surface laser cladding TiC/Ti - Al composite coating of Ti-6Al-4V alloy and their properties

Abstract

In the field of aviation industry, Ti-6Al-4V alloy structural materials is the key to making all kinds of aerospace vehicles.But the Ti-6Al-4V alloy is not easy to bad lubrication, friction coefficient, wear resistance, easy to low adhesion, high temperature oxidation resistance of faults,is no guarantee that the workpiece with the strength of the requirements.Recently, TiC ceramics has aroused more and more research interest because it has high wear resistance, high hardness and excellent thermostability. As a high quality enhancement phase, it has played an increasingly important role in metal matrix composites engineering application. Department of TiAl intermetallic compound as the structure of the new type of light weight and high temperature resistant material, is a hotspot of current research.The matrix properties, reduce loss, improve the cost performance had enhanced a lot by laser cladding wear-resisting coating. If using laser cladding, the Ti-6Al-4V alloy surface cladding layer with excellent high temperature oxidation resistance of TiAl intermetallic compound as matrix, with high temperature wear resistance of titanium carbide ceramic materials to enhance phase composites, then made parts can not only guarantee the high intensity, and can guarantee it has very good high temperature wear resistance.

Laser cladding technology is applied in this article to Ti, Al and graphite carbon powder as precursor powder according to a scale to mixture and add different graphite carbon powder. Using the powder to make TiC /TiAl matrix composite coating on Ti-6Al-4V substrate. The phase composition, microstructure and microhardness were investigated. The microstructure evolution and the formation of the phase were discussed. The results was that: XRD analysis showed that the composite coating of TiAl and TiC, besides, there were also Ti3Al exists. We found that TiC granular, rodlike or dendritic particle morphology by FESEM; Hardness test analysis showed that the top of coating had the highest hardness, transition region was less than

coating and the matrix has minimum hardness. Through it we can learned that the coating could improve material hardness. obviously. A series of analysis and test showed that the TiAl intermetallic and TiC ceramic phase improved the hardness of matrix. Saving cost and improving economic efficiency of industry by use laser technology to cladding coating on the Ti-6Al-4V was effectively , in the wear resistance and high temperature oxidation resistance of ascension has potential application prospect.

Key words: Laser cladding, In situ synthesis, TiAl-TiC composite coating, Hardness

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 Ti合金及TiAl系金属间化合物概述 1

1.1.1 Ti合金概述 1

1.1.2 TiAl系金属间化合物概述 2

1.2激光熔覆技术及应用 4

1.2.1激光熔覆工艺原理及特点 4

1.2.2激光熔覆层质量及影响因素 5

1.2.3熔覆层的组织与性能 6

1.3激光熔覆原位合成陶瓷增强体复合涂层概述 6

1.4本课题的研究目的及主要内容 9

第二章 实验材料与方法 11

2.1 实验方案 11

2.2 实验材料及其制备 11

2.2.1实验材料及成分设计 11

2.2.2激光熔覆设备及熔覆条件 12

2.2.3金相试样的制备方法 14

2.3分析测试方法 14

第三章 实验结果分析与讨论 16

3.1 激光熔覆电流对熔覆层质量的影响 16

3.2 X射线衍射结果与分析 17

3.3高分辨扫描电镜与能谱结果与分析 18

3.4 显微硬度测试结果与分析 22

第四章 实验结论 25

参考文献 26

致谢 30

第一章 绪论

1.1 Ti合金及TiAl系金属间化合物概述

1.1.1 Ti合金概述

钛合金具备高强度、高熔点、无磁性、低热膨胀系数、低密度和良好的耐腐蚀性能，具有优异的性能，是航空航天方面等高端技术领域重要的结构材料，并得到了越来越多的包括在化工、能源、船舶、石油、生物医药等关键性的国民经济领域的应用^[1-3]。目前，世界上很多国家都着力研究新的钛合金材料，希望把钛合金合理利用在潜力巨大的民用工业方面。美国始终在钛合金的开发和利用发面处于领先水平。特别是在航空领域，无论是四代战斗机的代表产品 F-22 ，或者是波音公司B-777 的关键部分都是使用钛合金制造；与此同时，美国正大力研究高性价比的钛合金的民用品。美国目前投入了1亿美金，实施的 PNGV 十年计划（将家用汽车减轻 40%的重量），把 钛、铝、镁合金同时应用在汽车中。该计划将不但在汽车连接杆，消声器，气门弹簧，排气管等小零件中使用钛合金，还将钛用在汽车的底盘乃至各种负载零件中。民用工业的发展中获得了多项相关专利。随着经济和社会的发展，为了满足我国对钛制品的需求，国内近几年的钛合金开发和产业化趋势逐渐追赶到发达国家水平，特别在航空、能源、化工、体育、休闲、航天冶金等行业对钛合金应用迫切需要大大提高了国内钛工业的进步速度^[4,5]。然而由于钛合金的硬度很低，大概处于300~400HV之间，所以对于要求比较高的条件下，无法达到工作环境的需要，大大阻碍了钛合金的应用。另一方面，由于钛合金高的摩擦系数、磨损性能不好，较高的温度下抵抗氧化的能力下降等明显等不利性能，严重的阻碍了钛合金的推广利用，尤其大大限制了钛合金在摩擦副运动装置的应用^[6]。值得注意的是，因为钛合金零部件在使用中的摩擦、磨损、微动损伤之类的破坏都是在零件表面上首先发生的，所以可以利用表面工程处理方式，将钛合金零部件的表面熔覆一层以钛合金为基材并且呈结实的和良好匹配关系的涂层，使材料表面拥有摩擦系数低、各种温度下优异的抗磨性能、良好的高温区抗氧化能力，一方面保留了钛合金本身性能的各种优点，还在本质上解决了钛合金高摩擦系数、耐磨性差、高温抗氧化性能差等缺点，使用先进的表面工程技术是提高钛合金性能科学、节约、简单、可行的一种方法^[7]。

1.1.2 TiAl系金属间化合物概述

TiAl系金属间化合物作为新型的轻质和耐高温的结构材料，是目前研究的热点，因为其具有密度低、比强度高、比刚度高以及好的耐腐蚀等性能，另外其优良的高温力学性能、高温抗氧化性能，可以大大增加零部件的服役温度和工作效率，降低能源浪费及温室气体的排放，明显提高汽车领域及航空航领域的水平^[8]。其中，TiAl系金属间化合物主要有α₂-Ti₃Al，γ-TiAl及σ-TiAl₃三种。

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