鈦合金激光表面Ti-AL-X多元合金化層的組織和性能.pdf

1、鈦及鈦合金因比強(qiáng)度高、密度小、耐蝕性好、中溫強(qiáng)度穩(wěn)定及易于機(jī)械加工和焊接，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)、化工、軍事等領(lǐng)域。特別是在航空工業(yè)，隨著飛機(jī)性能的提升和航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，鈦及鈦合金的用量將逐漸增加。然而低的硬度、差的抗磨損性能和抗高溫氧化性能嚴(yán)重限制了其更為廣泛的應(yīng)用。由于磨損和氧化主要發(fā)生在材料的表面，因此表面處理是在不改變材料整理性能的前提下賦予材料表面特殊性能的最佳方法。激光表面合金化技術(shù)因具有能量高、工件變形小、

2、合金化層厚度可控以及合金化層與基體呈良好的冶金結(jié)合等優(yōu)點而獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　本文基于高溫防護(hù)涂層的基本要求和合金元素在提高鈦合金性能方面的作用機(jī)制，采用激光表面合金化技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備以Ti和Al兩種元素為主元、Nb和（或）Si作為調(diào)控元素的Ti-Al-X多元合金化層，以同時提高鈦合金表面的室溫力學(xué)性能和高溫性能，包括硬度、室溫摩擦磨損性能、抗高溫氧化性能和高溫摩擦磨損性能。系統(tǒng)研究了合金化層的組織結(jié)構(gòu)、硬

3、度、不同溫度下的摩擦磨損行為及在800℃的高溫氧化行為，探討了合金元素對合金化層性能的影響機(jī)理。
　　Ti-Al合金化層主要由TiAl和Ti3Al相組成，與基體呈典型的冶金結(jié)合，在800℃氧化1000h后表面氧化膜呈現(xiàn)典型的多層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次為TiO2/Al2O3/(TiO2+Al2O3)/氧擴(kuò)散區(qū)。Ti-Al合金化層表面氧化膜的這種多層結(jié)構(gòu)主要是由于Ti和Al相近的氧化熱力學(xué)以及Ti較高的氧化動力學(xué)造成的。Ti-Al合金化層

4、在800℃氧化1000h后的產(chǎn)物為R-TiO2和α-Al2O3的混合氧化物，氧化增重為42.2mg/cm2，僅為Ti-6Al-4V合金基體的1/6，表現(xiàn)出良好的抗高溫氧化性能。Ti-Al合金化層表面氧化膜中Al2O3的形成降低了氧化膜中TiO2的比例以及氧化膜中的缺陷濃度，提高了氧化膜的致密性，在一定程度上抑制了元素的互擴(kuò)散，降低了氧化速率。與基體相比，由于Ti-Al合金化層硬度較高，因而在室溫、600℃和800℃均表現(xiàn)出良好的抗磨損性

5、能。但由于Ti-Al合金化層的高脆性和大的熱應(yīng)力，在凝固過程中形成了大量的裂紋，特別是貫穿性裂紋，在氧化時造成了災(zāi)難性的局部氧化，且表面氧化膜在氧化100h后出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象，因此Ti-Al合金化層很難為合金基體在800℃提供長期的抗高溫氧化防護(hù)。
　　Ti-Al-xNb合金化層主要由TiAl和Ti3Al相組成，由于Nb添加改善了合金化層的塑性，裂紋數(shù)量明顯減少。在800℃的整個氧化周期內(nèi)，Ti-Al-xNb合金化層表面氧化膜未見明

6、顯的剝落現(xiàn)象，氧化1000h后的增重為基體的1/5.9-1/15，顯示出良好的抗高溫氧化性。在一定的Nb添加范圍內(nèi)，隨著Nb添加量的提高，合金化層的氧化速率降低。當(dāng)Nb的添加量為40wt.％時，合金化層的抗高溫氧化性最好，為Ti-Al合金化層的2.4倍。然而過多的Nb添加量反而使合金化層的抗高溫氧化效果下降，Ti-Al-xNb合金化層的抗高溫氧化效果取決與Al和Nb的協(xié)同作用。Nb添加提高合金化層的抗高溫氧化性主要歸因于顯著降低了合金化

7、層表面氧化膜中TiO2的點缺陷濃度，促進(jìn)了氧化膜中Al2O3的形成以及提高了氧化膜的黏附性。與Ti-6Al-4V合金基體相比，Ti-Al-xNb合金化層具有較高的硬度，表現(xiàn)出良好的抗磨損性能。但與Ti-Al合金化層相比，由于Nb添加降低了合金化層的硬度，因此Ti-Al-xNb合金化層的抗磨損性能有所降低。
　　Ti-Al-xSi合金化層主要由Ti-Al金屬間化合物和Ti5Si3增強(qiáng)相組成。隨著Si添加量提高，Ti-Al金屬間化合物

8、由TiAl相演變?yōu)門iAl2和TiAl3相。由于Ti5Si3相的高楊氏模量，提高了裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力，因此合金化層中少見宏觀裂紋的出現(xiàn)。Ti-Al-xSi合金化層在800℃經(jīng)1000h氧化后的增重為基體的1/10-1/21，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫氧化性能。隨著Si添加量的增加，合金化層的氧化增重減小，氧化速率降低。與Ti-Al合金化層相比，Si的添加使合金化層的抗高溫氧化性顯著提高。當(dāng)Si的添加量為30wt.％時，合金化層的抗高溫氧化性最好

9、，為Ti-Al合金化層的3.4倍。Si添加提高合金化層抗高溫氧化性能原因包括:(1) Si的添加使氧化物顆粒明顯細(xì)化;(2)Si的添加促進(jìn)了合金化層表面氧化膜中Al2O3的形成，提高了氧化膜的致密性;(3) Si的添加使合金化層中形成了熱穩(wěn)定性和抗高溫氧化性很好的Ti5Si3相;(4)Si的添加促進(jìn)了抗高溫氧化性能優(yōu)異的TiAl3相的形成。由于Si的添加促進(jìn)了高硬耐磨Ti5Si3相的形成，因此Ti-Al-xSi合金化層具有很高的硬度，在

10、室溫、600℃和800℃時均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能，并且隨著Si添加量的提高，合金化層的硬度和抗磨損性能提高。雖然Ti-Al-xSi合金化層的氧化增重低于Ti-Al和Ti-Al-xNb合金化層，但低Si添加量的合金化層表面氧化膜的黏附性較差，在氧化過程中出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。此外，隨著Si添加量的提高，合金化層的脆性增加，結(jié)晶初期形成的Ti5Si3相對液態(tài)熔池中氣體的逸出和液體的流動阻礙作用增強(qiáng)，合金化層中微裂紋和孔洞的數(shù)量增多。
　　

11、Ti-Al-xNb-ySi合金化層主要由Ti-Al和Ti5Si3金屬間化合物組成，由于Ti5Si3相的高楊氏模量和Nb的增塑作用，合金化層中未見明顯的裂紋形成，孔洞數(shù)量也較少。Ti-Al-xNb-ySi合金化層在800℃氧化1000h后表面氧化膜未見明顯的剝落現(xiàn)象，單位面積增重僅為合金基體的1/26-1/57.1，氧化動力學(xué)曲線符合拋物線或拋物線-立方規(guī)律，表現(xiàn)出極為優(yōu)異的抗高溫氧化性能。提高合金化層中Nb和Si的添加量，特別是Si的添

12、加量，能夠顯著提高合金化層的抗高溫氧化性。當(dāng)Nb和Si的添加量分別為20wt.％時，合金化層的抗高溫氧化性最好，為Ti-Al合金化層的9.3倍。復(fù)合添加Nb和Si合金元素對合金化層抗高溫氧化性能的改善效果要明顯優(yōu)于單獨添加Nb或Si。Nb和Si復(fù)合添加提高合金化層抗高溫氧化性能的作用機(jī)理包括顯著促進(jìn)Al2O3的形成、顯著提高氧化膜的黏附性以及促進(jìn)抗高溫氧化性能優(yōu)異的Ti5Si3和TiAl3相的形成。Ti-Al-xNb-ySi合金化層的硬

13、度明顯高于Ti-6Al-4V合金基體，這主要是和合金化層中Ti-Al金屬間化合物和硬質(zhì)Ti5Si3相的形成有關(guān)。與Ti-6Al-4V合金、Ti-Al和Ti-Al-xNb合金化層相比，Ti-Al-xNb-ySi合金化層具有優(yōu)異的抗磨損性能。隨著Si添加量的提高，合金化層中Ti5Si3相的含量隨之增加，合金化層的抗磨損性能提高。對比Ti-Al-xSi和Ti-Al-xNb-ySi合金化層，當(dāng)Si在合金化粉末中相對于Al的添加量相同時，盡管Ti