钛合金表面激光硼碳氮合金化层的组织结构与耐磨性能研究

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1、☆家大学藩士攀穰诧文摘耧镑台金盘予簿程疆凄较秣虱暴产生鹈藩牲褰凝等溉燕执嚣使它{f】躲侥受性髓f辩汔强度赢、耐锰性较好鼯捧}不蕺梵：；}发挥。舞携商钛台金薛裴嚣硬度耩耐黪性能，本文采用激光表嘲改性技术对铽和Ti．6AI，4V台金进行了硼碳氮处理。势辑了激毙工艺参数对会金诧层强媛爆装麴影确，探讨了经否潮台金元素赴璜后台金诧蔗海组织静受＆祝瑾，并对不弼缰分会金化蓐合金讫鼹的耐蘑性能进行了较为燕统的测试分析。爨竞工艺参数f蠢激光嗡赉功率、韶搂遮发器竞采囊轻等嗣‘台袅识墨豹缀镄形貌和性§§暴霄较大盼嚣镌。增

2、大激光璎率和陲诋按擒速度，裔盒纯层厚度增加，而组织办随之粗大。崧本试验条件下(预涂粉末的种类及厚度和采用的保护气萍爱垂疆薅h当激竞秘誊为]200W，巍塞直径为甜Ml，毒j攮速度是3鸯～4．0rnm／s，拱藏量为45～ss％时可获得较鞠理想的合愈能屠。经激光碳台金化后，含盘化层内原位生成的TiC望树枝状，枝晶借垂直于主干皇最，较蕊积貔棼袭鼗鼗黢装耍菇鳃成。瘤于在凝嚣过髯中液态鞭子叠挠浅沿着密排面土的密排方向附着。对面心：莛方晶系鲍TiC晶体而言，(11l》寿向是(111)密排面和(1lO)密排晶向的交

3、汇处，易于优先生长，从耐使得TiC舞傣澄羞{i11)方超彩鼗被鑫主干。蔼鸯蒜尊主予羲塞鳇{{{jj密簿鑫蘑剥是棱磊臂优先生髅的方向。熔池在不葡育囱的热梯度不简使得晶谗优先沿着燕梯腋降较大的方向生长，从F日形成了树枝状结构的”c枝晶。鑫俸生长棱式霉枣蘩嚣过冷麦△鼍翁太，j、翔定。姿Z∑T>ATe对为连襞生长模式．形成*B糙羿瑶；当△1K△瓦时刚为侧向生长搂式，形成光滑界蕊。在最韧的结品阶段融于较大的成分过冷度和鬟际过冷度使得结晶以连续生氏模式进抒形盛技鑫主予。缝磊敷发爨丈量蕊臻鹣蕾熬导致宴鼯遭玲囊藏，

4、j、，褥褡震豹减少则导致I苴涟续生长模式嫡晶所需的嫡群过冷度增大。因此，随蒋溶质的减少和实际过冷艘的减小，结晶模式则由潍续生长转变为侧向螺旋生长进行。所爨奠基熊荽罴霞鞋最蠡彭藏豹获凝曩蕤翁舄帮(蛰曩怒瓣磊箍或耍鑫粒逶手餐向生长的表两)为核心，猷侧向生长的螺旋方式长大，澎成了貌似以块状晶线山东大学博士学位论文性排列的树枝状TiC。激光氮化后氮化层内形成了较多的裂纹。由于氮气在熔池中的溶解仅在熔体表面发生，因而熔池中表层的氮浓度较高，且随深度增加而下降。高的氮浓度导致高的氮化物含量，而高的氮化物含量造成

5、了表层高的弹性模量(TiN的弹性模量为616GPa，Ti基体的弹性模量为110GPa)。TiN晶体内存在高的应力、大量的位错和堆垛层错。这些位错在高应力作用下产生滑移运动，滑移的结果必然造成位错的堆积，从而造成合金化层高的硬度和脆性，所以高密度的TiN晶体集于氮化表层则易导致裂纹的形成。钛合金经激光硼化后，合金化层内的硼化物主要为棒状和块状。与面心立方晶系的TiC和TiN不同，正交晶系的TiB和六方晶系TiB2没有生长优势明显的晶面和晶向，所以易于形成等轴状晶体。又由于TiB和TiB2晶体中键能B—

6、B>B—M>M．M，故晶体易于沿着B—B键方向生长形成棒状形貌。硼可细化钛合金的组织结构，这是因为先共晶的TiB晶粒可起到异质核心的作用。TiB与基体Ti之间存在一定的位向关系(如：(001)riB／／(1101)订i，(111)TiB／／(1012)+Ti，[2131】。．Ti，／[110]Tia)，因此可推知，先共晶的TiB晶粒可作为异质核心从而使得组织细化。另一方面，凝固过程中的溶质再分配使得溶质偏聚在固一液界面。当硼在固．液界面前缘达到一定浓度时硼化物晶核将会不断的自发形成长大，导致固一液界

7、面推进受阻，从而限制了晶体的长大。与激光碳、氮和硼分别合金化相比，碳一氮一硼复合合金化可细化合金化层的化合物并改善其形貌。由于复合合金化时，不同的化合物相间生长，相互牵制，从而减少了发达枝晶的形成，细化了化合物组织。稀土氧化物有细化钛合金激光合金化层组织结构的效果。这是因为当被高能量激光束辐照后，涂层中的大部分的Ce02和Y203发生分解释放出铈和钇原子。首先，稀土是表面活性元素，结晶时稀土元素因具有吸附能力而易于聚积在晶体的表面。晶体的不同表面对表面活性元素的吸附量是不同的，张力最大的表面生长的最

8、快，活性元素的吸附量也最大。当表面吸附了一层活性元素后，该表面的张力将会降低，生长速度亦随之降低。理论推导表明，吸附量最大的表面在降低晶体的表面能方面起着重要的作用。因此，表面吸附不仅使晶体的表面能降低，而且能阻止张力大的表面生长过快，所以使晶粒得以细化。其次，作为表面活性元素，Ce和Y能降低熔体表面张力和熔体与晶核间的界II山东大学博士学位论文面能。晶相与熔体间的自由能改变可产生促进形核的动力。固．液界面能越低，则形核所需的形核功也越低。所以，Ce和Y能降低形核功，