Ti复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能.pdf

《Ti复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Ti复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能.pdf（5页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第 3 8卷 2 0 0 2年1 0月 第 1 0期 l 1 0 0 1 1 0 4页 金 属 学 玫 AC!TA M ETALLURGI CA SI NI CA VlO 1 38 NO 1 0 Oc t 2 0 0 2 P P 1 1 0 o-1 1 0 4 T i C T i 复合材料激光熔覆层的；中 击磨粒磨损性能 张松-2 1s)张春华-，s)吴维吏z)王茂才z)刘常升 s)李诗卓)李曙)1)沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳 1 1 0 0 2 3 2)中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，沈阳 1 1 0 0 1 6 3)东北大学材料与冶金学院，沈阳 1 1 0 0

2、 0 4 4)中国科学院金属 研究所，沈 阳 1 1 0 0 1 6 摘 要 在 T i 6 A I 4 V表面 通过 激光熔覆工艺原位合成 T i C T i 金属基复合 材料涂层，其基体组织结构随表层预置合金粉末成 分的变 化而 改变采用 单摆划痕装置测试原位合成 T i C T i 复合材料涂层的冲 击磨粒磨损 性能 结果表明，与基 材 T i 6 A I 4 V相 比复合材 料激光熔覆 层的抗 冲击 磨粒磨损性能提高 了 2倍，且随 表层预置 粉末 中 Cr 3 C2含量的增 加，反应生成的 Ti C 含量增 加，涂层抗冲击磨料磨损性能提高 关键词 原位合成，激光熔覆，复合材料，冲击磨

3、料磨损 中图法分类号TB3 3 1 文献标识码A 文章编号0 4 1 2 1 9 6 1(2 0 0 2)1 0 1 1 0 0-0 5 I MP Ac T AB RAs I VE B E HA V I oR oF T i C Ti coMPos I T E LAYER BY LASER CLA DD I N G 删 G So n g1,2,3 1，G u n hu a 1，3 1，肌i t ao ，G M a o c a z)，LIU Ch a n g s he 礼)，LI Sh i z hu 0 4)LI S h u 4)1)C o l l e g e o f Ma t e r i a l

4、 s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,S h e n y a n g 1 1 0 0 2 3 2)S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r C o r r o s i o n a n d P r o t e c t i o n，I n s t i t u t e o f Me t a l R e s e a r c h，T h e C h i n e s e Ac a d e my

5、o f S c i e n c e s She n y an g 11 00 1 6 3)C o l l e g e o f Ma t e r i a l s a n d Me t a l l u r g y，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 4)I n s t i t u t e o f Me t a l R e s e a r c h，T h e C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s，S h e n y a n g 1 1 0 0

6、 1 6 C o r r e s p o n d e n t：z HA NG S o n g，p r o f e s s o r,T e t：(0 2 4)2 5 4 0 8 4 4 0，F a x：(0 2 4)2 5 6 9 1 7 6 8 E m a i l：s o n g z h a ng s yy a ho o c o rn c n S u p p o r t e d b y a s p e c i a l f u n d o f t h e P r e s i d e n t o f t h e C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e

7、 s M a nu s c r i pt r e c e i ve d 20 01 1 2 2 8i n r e v i s e d fo r m 2 0 02-0 4 0 9 ABs TRAcT T i C T i me t a l ma t r i x c o mp o s i t e c o a t i n g w a s i ns i t u s y n t h e s i z e d b y l a s e r c l a d d i n g p r oc e s s o n Ti 6 A1 4 V a l l o y Th e m a t r i x s t r u c t u r

8、 e o f c o mpo s i t e c o a t i n g c ha n g e s wi t h di ffe r e n t c o m p o s i t i o n o f p r e p a r e d a l l o y po wde r s The i mpa c t a b r a s i v e be ha v i o r o f c o mpo s i t e c oa t i ng ha s be e n i n v e s t i g a t e d u s i ng a s i n g l e pe nd ul u m s c r a t c h d e

9、 v i c e The r e s u l t s s h o w t ha t t h e i mpa c t a br asi v e r e s i s t a nc e o f c o m p os i t e c o a t i ng i S t hr e e t i me s t ha t of Ti 6 A1 4 V ma t r i x a l l o y a n d t h e c o n t e n t o f Ti C i n c o m p o s i t e c o a t i ng i S i nc r e a s e d wi t h t h e c o n t

10、 e n t o f Cr 3 C2 i n pr e pa r e d a l l o y po wd e r s i n c r e as e dr e s u l t i n g i n t h e i nc r e a s e o f t he i mpa c t a b r a s i v e r e s i s t a n c e pe r f o r m a n c e o f c o mpo s i t e c o a t i n g K EY W 0 RD S讥一 s i t u s y n t h e s i s，l ase r c l a ddi ng，c o mpo s

11、 i t e，i m pa c t a br a s i v e be ha vi o r 颗粒增强钛基复合材料(P T MC s)是近年来材料研 究领域的热点之一钛 合金具有较高的室温和高温比强 度，低密度、高弹性模量等特性，加入高强度、高刚度的 增强相后使其性能更加优异，因此钛基复合材料(TMC s)中国科学院院长特别基金及 中国科学院金属腐蚀与防护国家重 点 实验室资助项 目 收到初稿 日期：2 0 0 1 1 2 2 8，收到修改稿 日期：2 0 0 2 0 4 0 9 作者简介：张 松，女，1 9 6 3年生，教授，博士后 已成为超音速宇航飞行器和新一带先进航空发动机的候 选材料，并

12、获得迅速发展 I 1-4 J 目前陶瓷颗粒增强钛基 复合材料的制备基本采用两种方法：外加颗粒法和原位合 成法，后者 由于新生成的增强相晶体完整性好，表面无污 染，与基体结合 良好，有助于获得性能优良的复合材料，而 日益受到人们的重视 5 6 J 加载方式是影响材料磨料磨损的重要因素之一 在实 际服役过程中，在冲击载荷的作用下由磨料滑动造成的磨 料磨损，被称为冲击磨料磨损它兼有冲击和滑动磨损的 双重特点 I ，可以真实地反映材料的实际加载情况 在材 维普资讯 http:/ 1 0期 张松等：T i C T i 复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能 1 1 0 1 料摩擦学特征的研究过程中，观察磨

13、损过程，揭示其磨损 机制，是研究和发展新材料的关键单摆冲击划痕法是近 几年发展起来的摩擦磨损实验方法 L s,9 J，可模拟单一磨粒 以一定冲击力划过材料表面的单元过程，能直接测出划痕 过程 中的能量损耗及切向和法向力的变化，从而观察分析 磨粒一次犁削材料表层过程中的各种变化，并为材料摩擦 学行为的研究提供大量有用的信息 激光熔覆 T i C Ti 复 合涂层是一种制备颗粒增强钛基复合材料涂层的新工艺 方法本文采用单摆冲击划痕法评价 T i C T i 复合材料 激光熔覆层的磨损性能，为其实际应用奠定理论基础 1 实验材料及方法 1 1 基材及合金粉末成分 实验用基材为 T i 6 A1 4

14、V(a+)型钛合金，其成分为(质量分数，)：A1 6 0 1，V 3 8 4，C 0 1，F e 0 3，Ti 余 量，尺寸为 4 0 mm2 5 mm6 mm，在 4 0 mm 2 5 mm 的表面进行激光熔覆处理，样品表面粗糙度 R=0 2 m 激光熔覆用合金粉末为工业纯度的 T i 粉及 C r 3 C 2 粉末，其粒径为 6 0 7 0 m，试验过程中两者按不同比例配制，在氩气保护下于滚筒式球磨机中混合均匀 1 2 激光熔覆工艺 将合金粉末于 1 5 0烘干 2 h，预置于 Ti 6 A1 4 V 基 材上，预置厚度 0 7 0 8 mm，放入一特制可控气氛加工 室中，抽真空后充入氩气

15、，以保证在激光处理时合金粉末 不被氧化利用 J J D一 4 0 0型 Nd：YAG 固体脉冲激光加 工机进行激光熔覆处理，条件为：单脉冲能量 5 0 J，频率 4 H z，脉宽 5 ms，焦距 2 0 0 mm，光斑直径 2 mm，扫描 速度 1 1 5 0 mm s 1 3测试方法 利用P h i l i p s X L 4 0 0 一 F E G 扫描 电镜，日本理学 D ma x-r a型 x射线衍射仪对复合材料熔覆层的组织结 构进行分析检测 图 1为测定磨损性能的单摆冲击磨损实验机结构简 图，由五个基本部分组成：1)机身；2)样品台及升降 系统；3)单摆 系统，包括摆轴、摆杆、摆锤及

16、摆头；4)能量测量系统，包括电触发系统、矩形波发生器和数显计 数器；5)测力系统，包括应变仪、信号放大器、记忆示 波器、X Y 记录仪和配用的触发扫描系统安置在摆锤 顶端的划头为圆锥状(图 l b所示)，材料为 YG 一 6型硬质 合金由于在冲击划痕过程中力的作用时间很短(毫秒量 级)，故用 DS S 一 6 5 2 1阴极数字记忆双综示波器记录测力 仪输出的电压变化信号，选定适当的扫描速度，可同时得 到切向力和法向力随时间的变化曲线 f T()和，N()为精确地评价复合材料熔覆层的磨损性能，样品表面 磨至 1 0 0 0号金相砂纸，每一个样品可多次改变支架高度 以产生一系列不同尺寸的划痕，每

17、一次划痕产生的能量消 耗 E可通过初试摆角的改变，用传统的冲击实验方法计算 出来，划痕的体积用体式显微镜和轮廓测定仪进行测定 2 实验结果及分析 2 1 复合材料激光熔覆层组织形貌 实验选择 9 5 T i 一 5 C r 3 C 2，9 0 T i-1 0 C r 3 C2 两种粉末材 料在 T i 6 A1 4 V 基材表面制备复合材料激光熔覆涂层图 2为两种原位合成复合材料激光熔覆层表面形貌 可见，在激光辐照过程中，原位反应生成的 Ti C 颗粒增强相均 匀弥散地分布于复合材料熔覆层中，由于两种粉末成分 中 加入的 Cr 3 C2含量不同，反应形成的 Ti C数量不同，复 合材料涂层的基

18、体组织结构也不同 1 o,n】，9 5 T i 一 5 C r 3 C 2 涂层的基体为(-4-)双相，9 0 Ti 一 1 0 C r 3 C 2涂层的基 体为单相 Ti 2 2 比能耗 一材料抗 中 击磨粒磨损的评价指标 研究表明，摩擦功与材料的磨粒磨损行为有很好的对 应关系 _ l 引 单摆冲击划痕实验条件下，划痕过程所消耗(a)图 1 单摆冲击划痕实验 机装置简图 F i g 1 Th e s c he m a t i c o f s i ngl e p e ndul um i m p a c t s cr a t c h t e s t er (a)1 一 A d j u s t a

19、 b l e s p e c i me n h o l d e r；2-An g l e me t e；3-P e n d u l u m；4-S t y l u s；5-S i g n a l g e n e r a t o r 维普资讯 http:/ 1 1 0 2 金属学报 3 8 卷 图 2 复合材料激光熔覆层表层 S E M 组织形貌 Fi g 2 Cr o s s s e c t i o na l SEM m o r ph ol o gi e s of c o m po s i t e c oa t-i ng s l a y e r f o r m e d b y l a s e

20、r c l ad di n g 95 Ti 5Cr 3 C2 c o a t i n g(a)a n d 9 0 T i 一 1 0 C r 3 C 2 c o a t i n g(b)(w h i t e p h a s e-T i C)的总能量 E 表征了划头 以一定冲击力切削材料表层的难 易程度，从而在一定程度上反映了材料抗冲击磨损的能 力，不同材料的能耗 E 不同，显示出它们具有不同的抗磨 性然而，总能量 E 随划痕体积 变化而改变，这样，为排除划痕体积 V 的影响，可以采用比能耗 e(e=)表征在单摆冲击划痕条件下材料的抗磨性。由于比能耗排除了划痕体积的影响，因而其更明确地 表征了材

21、料动载条件下的磨损性能。将材料的磨损率作适 当的处理，可以得出材料的磨损率与比能耗有如下关系：V E 1L l L f T d l 一 一 e 其中，L为划痕的长度，1 J f T d l 为划痕过程中的平 均切向力，将其看作切向载荷，并设之为 f T ，则，T L e 由此可知，比能耗 e实质上反映了材料抵抗磨粒划削表层 的切 向抗力，这样，在单摆冲击划痕条件下，比能耗 e可 作为材料抗瞎损性能的评价指标 图 3为材料的 比能耗 e随划痕体积 的变 化，它们 的共性是 比能耗随划痕体积的增大而下降，直到划痕体积 增大到一定值后，比能耗趋于稳定，不同材料的比能耗 图 3 材 料 的 比 能 耗

22、随 划痕 体 积 的 变 化 F i g 3 C u r v e s o f s c r a t c h i n g s p e c i fi c c o n s u me d e n e r g y(e)u s s c r a t c h i n g v o l u me(V)f o r s u b s t r a t e Ti 6 A1 4 V a n d t wo c o at i n g s 不同，显示出其抗冲击磨损性能的差异，由此我们可以以 e 曲线稳定阶段某一划痕体积所对应的比能耗值，作为 判据来判断材料的耐磨性比能耗 低，材料的耐磨性差，反之亦然 由图 3可以看出，复合材料熔覆层

23、的抗冲击磨粒磨 损性能均好于基材 Ti 6 A1 4 V 研究表明，复合材料中颗粒 对基体的强化主要是通过 Or o wa n机制【坞J实现的，由 O r o w a n强化机制引起的强度增量可由下式计算：G，d A T 而i m 其中 G 一复合材料基体的剪切模量；b一位错的 B u r g e r s 矢量；一与 P o i s s o n比有关的常数；d一粒子直径；在一个滑移面内的粒子间距 在磨损过程中，T i C Ti 复合材料中的 Ti C颗粒可 显著地减小位错运动的自由程，使得位错在变形过程中，需要克服相当大的阻力，才能绕过颗粒而运动；熔覆层整 体强度、硬度的提高，使之抵抗切削能力

24、增强；此外 Ti C 颗粒对表层合金塑性变形起到较大的限制作用，同时颗粒 本身也有抵抗划头切入的能力然而，塑性也是影响材料 抗冲击磨损性能的一个重要因素，9 0 Ti 一 1 0 Cr 3 C2复合 材料基体为单相 Ti，具有 良好的强韧性，从而使其抗 冲击磨粒磨损性能优于 9 5 Ti 一 5 Cr 3 C2激光熔覆层 图 4为基材 T i 6 A1 4 V 以及两种复合材料熔覆层冲击 磨损划痕 S E M 形貌，原位合成 Ti C T i 复合材料由于颗 粒尺寸比较细小，与基体结合牢 固，因而颗粒可 以象沉淀 相一样，在冲击磨损过程中与基体一起协同变形，共同经 历犁削、切削过程，其剥落倾向

25、较 小由图 4 c可以看出，在样品冲击磨损磨痕表面 Ti C 增强相颗粒仍然牢固地保 持于涂层基体中，说明其与塑性 良好的 Ti 基体结合强 度较高 维普资讯 http:/ 1 O期 张松等：Ti C Ti 复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能 1 1 0 3 图 4冲 击 磨损 表 面划 痕 S E M 形 貌 F i g 4 S EM pho t os of t he s ur f a c e of i m pa c t ab r a s i v e s a m pl e s，s h o w i ng g ood bon d be t we e n Ti C pa r t i c l e

26、s a nd m a r t r i x f or 9 0Ti 一1 0 C r 3 C2 c o at i ng (a)Ti 6 A1 4 V(b)9 5 T i 一 5 C r 3 C2(C)9 0 Ti 一 1 0 C r 3 C 2 2 3 复合材料熔覆层的动态硬度 观察单摆划痕过程中记忆示波器记录下来 的切向力，T 和法 向力，N 随时间 t的变化可以发现，一 t曲 线较为光滑，而 I T t曲线则波动程度较大，反映出形成 划痕破坏过程中材料不连续损坏的某些细节将曲线的峰 值即划痕过程中的最大切向力 F T和法向力 F N分别除以 划痕中部划头与表层材料接触面积的切向和法向投影 AT

27、 和 AN，可得：日T：日N：A T A N 晰和 分别定义为材料的切向动态硬度和法向动态 硬度 图 5为三种材料的切 向硬度及法 向硬度随划痕深度 的变化曲线，其变化趋势与图 3曲线相似，9 0 T i 一 1 0 C r 3 C2 复合材料熔覆层的动态硬度较高，说明在单摆冲击磨粒磨 损过程中，材料的动态硬度亦能反映材料在磨损过程中抵 c o Q-b 图 5 材料的动态硬度随划痕深度的变 化 Fi g 5 Cu r v e s o f d y n a mi c t a n g e n t i a l h a r d n e s s HT(a)a n d n o r ma l h a r d

28、n e s s H N(b)u s s c r a t c h i n g d e p t h(D)o f s am pl e s 抗磨粒真实切入的能力 3 结论 单摆划痕法可模拟单一磨粒 以一定冲击力划过材料 表层的单元过程，通过测量及计算得出的比能耗、切 向硬 度、法 向硬度，可作为判据评定材料的抗冲击磨粒磨损性 能 在本试验条件下，两种复合材料熔覆层抗冲击瞎粒嘻 损性能均好于基材 Ti 6 A1 4 V 9 0 Ti 一 1 0 Cr 3 C2复合材料熔 覆层由于基体 由具有高韧性的单相 T i 组成，且含有高 体积含量的 T i C 颗粒增强相，因而其抗冲击磨粒磨损性 能较基材 Ti

29、6 A1 4 V 提高了 2倍 参考文献 1 L u o G Z R a r e Me t a l Ma t e r i a ls a n d E n g i n e e ri n g，1 9 9 7；2 6：1 (罗国珍稀有金属材料与工程，1 9 9 7；2 6：1)2 A y e r s J D，B o l s t e r R N We a r，1 9 8 4；9 3：1 9 3 3 Z h a n g S，Wu W T，Wa n g M C，Do n g S Y T r a n s N o n f e r r o us M e t So c，2 0 0 0；1 0：6 4 4 L i u

30、 R M，L i S Q，Ma J M Ac t a Me t a l l S i n，1 9 9 9；3 5：$3 44 (刘瑞 民，李四清，马济民金属学报，1 9 9 9；3 5：$3 4 4 1 5 Z h a n g S，Wa n g M C，Wu W T，Do n g S Y Ac t a Me t a l l Si n，1 99 9；35：$3 63 维普资讯 http:/ 金属学报 3 8 卷(张 松，王茂才，吴维叟，董世运金属学报，1 9 9 9；3 5：$3 6 3)6 Go r s s e S，Ch a mi n a d e J P，L e P e t i t c o r

31、p s Y A p p l i e d S c i e n c e a n d Ma n u f a c t u r i n g，1 9 9 8；2 9：1 2 2 9 7 L i u J J We a r R a t i o n a l e a n d We a r R e s i s t i n g P r o p e r t y o Ma t e ria l s Be i j i n g：Ts i n g h u a Un i v e r s i t y P r e s s，1 9 9 3：9 3 (刘家浚 材料的磨损原理及耐磨性，北京：清华大学出版社，1 9 9 3：9 3)8 L i

32、 S Z，L i S P roc 8 t h I n t C o l l o q O n T r i b o l o g y，T r i b o l o g y 20 0 0，Es s l i ng e n，G e r m an y,1 9 9 2；2 5：1 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 Li ng Y N，Li S Z，Li SW e ar,1 9 9 4；17 7：1 67 Zh an g S，Zha n g C H，W u W W，W a ng M CA c t a M e t aU Si n，2 0 01；37：31 5 (张松，张春华，吴维叟，王茂才 金属学报，2 0 0 1；3 7：3 1 5)Zha n g S，Zhan g C H，K a ng Y P，W lu W W，W a ng M C，Ma n H C a n s No n，e”t Me t So c，2 0 0 1；1 1：1 0 2 6 (张松，张春华，康煜平，吴维，王茂才，文效忠中国有 色金属学报，2 0 0 1；1 1：1 0 2 6 1 V i ng s bo 0，Ho gm a r k SW e ar,1 9 84；1 1 0：4 89 A r s e na ul t R JM a t e r Sc i Eng，1 98 4；6 4：1 71 维普资讯 http:/