發(fā)布日期：2024-12-17 15:10:26
TC4鈦合金屬于（α+β）型鈦合金，由于具有比強度高、熱導(dǎo)率低、彈性模量小、耐高溫、組織穩(wěn)定性好等特點，在航空航天（飛機結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機零部件）、生物醫(yī)療（如人工關(guān)節(jié)）、機械船舶（如螺旋槳等）和交通運輸（如發(fā)動機零部件）等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［1］。然而，當將TC4鈦合金應(yīng)用于高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的汽輪機葉片等領(lǐng)域時，其表面腐蝕和磨損失效問題較為突出，由此來帶的停機事故占總體事故率高達65%以上，亟需對其進行表面改性處理，以提升基體鈦合金的耐磨性和耐蝕性［2-4］，其中，采用熱噴涂、激光熔覆、離子注入和氣相沉積等表面改性技術(shù)可以在鈦合金表面制備鎳基涂層等［5-7］，在不改變原有鈦合金基體既有物理性能的基礎(chǔ)上提升其表面硬度、耐蝕和耐磨性能等，更好地滿足復(fù)雜工況環(huán)境下的使用需求。但是，熱噴涂、離子注入等技術(shù)在鈦合金表面制備鎳基涂層存在與基體結(jié)合力差、易于造成環(huán)境污染等問題［8-9］，而激光熔覆雖可制備與基體結(jié)合良好的鎳基涂層，但在制備涂層過程中控制的工藝參數(shù)較多，需要克服工藝參數(shù)穩(wěn)定性不足等問題［10］。本文在激光熔覆設(shè)備中嵌入校企聯(lián)合開發(fā)的可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)以提高加工精度和穩(wěn)定性，并考察激光功率對激光熔覆復(fù)合涂層（Ni60+3wt.%Ce2O3）截面形貌、顯微組織、物相組成和耐蝕耐磨等性能的影響，以期制備出成形質(zhì)量良好、高耐蝕耐磨的激光熔覆鎳基涂層，為鈦合金表面激光熔覆涂層制備及其推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
1、材料與方法
1.1 實驗材料
試驗原料包括TC4鈦合金基材、激光熔覆用（Ni60+3wt.%Ce2O3）復(fù)合粉末。TC4鈦合金的化學(xué)組成（質(zhì)量分數(shù)，wt.%）為6.02Al、3.98V、0.10C、0.27Fe、0.01N，余量為Ti。激光熔覆用Ni60粉末（類球形）和Ce2O3粉末（顆粒狀）的掃描電鏡顯微形貌如圖1，在PM-500K型行星式球磨機上制備（Ni60+3wt.%Ce2O3）復(fù)合粉末。
1.2 激光熔覆涂層
將鈦合金加工成120mm×120mm×8mm，表面經(jīng)過噴砂、酒精超聲清洗和烘干后進行表面激光熔覆，加工示意圖如圖2所示；其中，JM-HGL1000型激光熔覆設(shè)備中嵌入校企聯(lián)合開發(fā)的PLC控制系統(tǒng)以提高加工精度和穩(wěn)定性。在激光熔覆過程中，通過PLC控制系統(tǒng)控制同軸送粉模式下的激光熔覆工藝參數(shù)，主要包括激光掃描速度12mm/s、光斑直徑4mm、送粉速率16g/min，激光功率控制在1100W~2300W（間隔300W），保護氣為高純氬氣。
1.3 測試與表征
采用線切割方法垂直于熔覆方向加工涂層試樣，打磨、拋光和腐蝕（氫氟酸、硝酸和水按5∶10∶85的體積百分比配制腐蝕液）后觀察截面形貌和顯微組織，截面形貌和顯微組織分別采用GX51型光學(xué)顯微鏡和IT500型掃描電子顯微鏡（附帶OxfordUltmiMax1能譜儀）進行觀察，并測量涂層幾何參數(shù)；物相組成采用D8ADVANCE型X射線衍射儀進行，Cu靶材Kα輻射、掃描速度2°/min、電壓35kV、電流40mA；顯微硬度測試采用Tukon2500全自動維氏硬度計進行，載荷和保持載荷時間分別為0.1N和10s；球-盤往復(fù)干摩擦磨損性能測試采用RtecSRV型摩擦磨損試驗機進行，記錄摩擦系數(shù)并計算磨損率［11］，摩擦副為直徑9.5mm的氮化硅球、載荷30N、摩擦?xí)r間900s、移動距離和頻率分別為6mm和15Hz，測試溫度為室溫；采用PARSTAT4000電化學(xué)工作站在室溫下對基體和涂層試樣（工作面積10mm×10mm）進行電化學(xué)性能測試，極化曲線和電化學(xué)阻抗譜采用標準三電極體系［12］，腐蝕介質(zhì)為3.5wt.%NaCl溶液，掃描速度為1mV/s、阻抗頻率為0.01Hz~100000Hz。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1 顯微形貌和物相組成
圖3為激光功率為1100W~2300W時激光熔覆涂層截面形貌。當激光功率為1100W時，熔覆涂層中可見明顯裂紋（如圖中箭頭所示），這主要是因為在較低的激光功率下，激光熱輸入較小，造成熔池溫度低、流動性差，局部還可能存在熔覆粉末無法完全熔化的現(xiàn)象［13］，并在凝固過程中產(chǎn)生裂紋缺陷；升高激光功率至1400W~2000W，激光熱輸入增加使得熔池溫度升高，流動性提升的同時增加了潤濕性，涂層成形質(zhì)量較好，未見異常氣孔、裂紋等缺陷存在；如果繼續(xù)增加激光功率至2300W，激光熔覆涂層上表層區(qū)域出現(xiàn)孔隙缺陷（如圖中箭頭所示），這主要是因為此時激光熱輸入較大，熔池溫度高而在表層區(qū)域存在較大過冷度，表層區(qū)域作為熱源出口產(chǎn)生了非均勻性流動，容易在涂層表層出現(xiàn)孔隙等缺陷［14］。
表1為激光功率為1100W~2300W時激光熔覆涂層的寬度D、高度H、深度h和稀釋率η統(tǒng)計結(jié)果，幾何參數(shù)的示意圖如圖2（b）所示。其中，稀釋率用式（1）計算［15］：
式中：F1和F2分別為熔覆涂層上下表面面積。當激光功率從1100W增加至2300W時，D從4.23mm增加至5.01mm、H從0.37mm增加至0.60mm、h從0.33mm增加至1.38mm、η從45.94%增加至72.27%，可見，D、H、h和η都會隨著激光功率增加而增大。這主要是因為激光功率的增加會提高激光熱輸入，涂層與基體可以更加充分的熔合并使得溶體向兩側(cè)和底部擴展，D、H、h增加的同時基體會有更多的熔化而增加了涂層稀釋率［16］。
圖4為不同激光功率下激光熔覆涂層的X射線衍射分析結(jié)果。可見，激光功率為1100W、2000W和2300W時，激光熔覆涂層都主要由α-Ti、TiNi、Ti2Ni、TiB2、TiC和Ce2O3相組成，激光功率的變化不會改變激光熔覆涂層的物相組成。其中，TiB2、TiC等硬質(zhì)相是Ni60/CeO2粉末和基體材料在激光熱輸入作用下熔化并在熔池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成［17］，可以增強涂層的硬度和耐磨性。進一步觀察典型激光熔覆涂層非裂紋和孔隙區(qū)域的顯微組織，結(jié)果如圖5所示。可見，不同激光功率下的激光熔覆涂層中存在顏色不同、尺寸不等、形狀不規(guī)則的第二相，熔覆涂層內(nèi)部未見明顯孔洞或者裂紋等缺陷。對不同激光功率下涂層的微區(qū)進行能譜分析，能譜分析結(jié)合XRD圖譜測試結(jié)果可知，激光熔覆涂層中第二相主要包括黑色塊狀TiB2相、亮白色顆粒狀Ce2O3相、灰色顆粒狀TiC相、淺灰色TiNi相和深灰色Ti2Ni相，如圖中箭頭所示。此外，由于較低激光功率下（1100W）的熱輸入較小，熔池流動性不足，造成組織均勻性較差；而提升激光功率會使得熱輸入增加，熔池溫度升高，同時流動性增大，組織均勻性相對更好；繼續(xù)增加激光功率至2300W時，過高的激光熱輸入會使得熔池在高溫下停留的時間更長，涂層中第二相會發(fā)生粗化和長大［18］。
2.2 硬度和耐磨性
圖6為基體和激光熔覆涂層的顯微硬度測試結(jié)果。可見，不同激光功率下激光熔覆涂層顯微硬度（935.61HV~1064.29HV）都高于基體（303.24HV）；激光功率從1100W增加至2300W時，激光熔覆涂層的顯微硬度先增大后減小，最大值（1064.29HV）出現(xiàn)在激光功率為2000W時。這主要是因為激光熔覆涂層中含有TiC、TiB2和Ce2O3等陶瓷硬質(zhì)增強相，從而使得涂層硬度高于基體，且當激光功率從1100W增加至2000W，熔池溫度升高改善了熔覆涂層成形質(zhì)量，涂層中可以形成更多的硬質(zhì)相，顯微硬度會相應(yīng)提高；但是如果激光功率過大（2300W），熔覆涂層表層出現(xiàn)了孔隙等缺陷，高溫下晶粒尺寸和硬質(zhì)相也會發(fā)生一定程度長大，熔覆涂層硬度會有所降低［19］。圖7為基體和激光熔覆涂層的摩擦系數(shù)和磨損率測試結(jié)果。由摩擦系數(shù)曲線可見，激光熔覆涂層在穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)都要小于基體材料，且當激光功率從1100W增加至2300W，激光熔覆涂層平均摩擦系數(shù)整體表現(xiàn)為先減小后增大，平均摩擦系數(shù)在激光功率為2000W時取得最小值；由磨損率測試結(jié)果可見，基體材料的磨損率為4.17×10-5mm3（/N·m），激光熔覆涂層磨損率都明顯小于基體材料，且當激光功率從1100W增加至2300W，激光熔覆涂層的磨損率先減小后增大，磨損率最小值（0.38×10-5mm3（/N·m））出現(xiàn)在激光功率為2000W時。這主要是因為激光熔覆涂層中含有TiC、TiB2和Ce2O3等陶瓷硬質(zhì)增強相，在摩擦磨損過程中可以起到支撐作用，并有效抵抗接觸應(yīng)力，提高抗磨性［20］；但是如果激光功率過大，熔覆涂層中出現(xiàn)孔隙等缺陷，涂層的耐磨性反而會降低。
2.3 耐蝕性
圖8為基體和激光熔覆涂層的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，表2為電化學(xué)參數(shù)腐蝕電位（Ecorr）、腐蝕電流密度（Jcorr）、溶液電阻（Rs）、電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）和鈍化膜電阻（Rf）的擬合結(jié)果。基體材料的Ecorr、Jcorr、Rs、Rct和Rf分別為‒0.858V、9.900×10-7A·cm-2、34.28Ω·cm2、3.662×102Ω·cm2和10.77×10-5Ω·cm2。對于激光熔覆涂層而言，極化曲線中可見涂層的腐蝕電位都相較于基體材料發(fā)生了正向移動，腐蝕電流密度有不同程度減小，且當激光功率從1100W增加至2300W時，腐蝕電位先正向移動而后負向移動、腐蝕電流密度先減小后增大，在激光功率為2000W時涂層的腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小。腐蝕熱力學(xué)參數(shù)腐蝕電位越正表示腐蝕傾向越小、動力學(xué)參數(shù)腐蝕電流密度越小表示腐蝕速率越慢［21］；由電化學(xué)阻抗譜可見，激光熔覆涂層的容抗弧半徑高于基體、電荷轉(zhuǎn)移電阻高于基體2個數(shù)量級以上、鈍化膜電阻都高于基體，而容抗弧半徑越大則表示材料腐蝕阻力越大、Rct越大則表示腐蝕反應(yīng)過程中電荷轉(zhuǎn)移速度越慢、Rf越大則表示鈍化膜越厚［22］。因此，激光熔覆涂層在電化學(xué)腐蝕過程中可以更好地抑制電荷轉(zhuǎn)移并形成更厚的鈍化膜，有效減緩腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，且隨著激光功率從1100W增加至2300W，Rct和Rf都表現(xiàn)為先增后減趨勢，即激光熔覆涂層的耐蝕性會隨著激光功率增加先增大后減小，在激光功率為2000W時取得最佳耐蝕性能，這與極化曲線測試結(jié)果保持一致。
3、結(jié)論
（1）激光功率為1100W時熔覆涂層中可見裂紋；升高激光功率至1400W~2000W，激光熔覆涂層成形質(zhì)量較好，未見異常氣孔、裂紋等缺陷存在；繼續(xù)增加激光功率至2300W，激光熔覆涂層上表層區(qū)域出現(xiàn)孔隙缺陷。當激光功率從1100W增加至2300W，激光熔覆涂層的D、H、h和η都會隨著激光功率增加而增大。
（2）激光功率為1100W、2000W和2300W時，激光熔覆涂層都主要由α-Ti、TiNi、Ti2Ni、TiB2、TiC和Ce2O3相組成，激光功率的變化不會改變激光熔覆涂層的物相組成。不同激光功率下的激光熔覆涂層中存在顏色不同、尺寸不等、形狀不規(guī)則的第二相，熔覆涂層內(nèi)部未見明顯孔洞或者裂紋等缺陷。
（3）激光熔覆涂層的顯微硬度（935.61HV~1064.29HV）都高于基體（303.24HV），磨損率都明顯小于基體材料；當激光功率從1100W增加至2300W時，熔覆涂層的顯微硬度先增大后減小、磨損率先減小后增大，顯微硬度最大值（1064.29HV）和磨損率最小值（0.38×10-5mm3（/N·m））出現(xiàn)在激光功率為2000W時。當激光功率從1100W增加至2300W時，腐蝕電位先正向移動后負向移動，腐蝕電流密度先減小后增大，Rct和Rf都表現(xiàn)為先增后減趨勢，即激光熔覆涂層的耐蝕性會隨著激光功率增加先增大后減小。
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