航空钛合金表面激光熔覆Ti3Al基复合涂层的组织性能分析.pdf

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1、钛合金焊接技术T，似川M舢oYw咖№丁EcHNoLoGY航空钛合金表面激光熔覆Ti3AI基复合涂层的组织性能分析术AnalysisofMicrostructurePerformanceofLaserCladTi3AlMatrixCompositeCoatingonAViationTitaniumAUoy中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室李嘉宁巩水利单飞虎邓云华[摘要】介绍了各种不同条件下航空钛合金表面激光熔覆Ti，Al基复合涂层的组织性能，对钛合金表面改性及强化技术的发展具有极为重要的实际意义。关键词：航空材料钛合金激光加工表面【ABSTRACTlThemicrostm

2、ctureperfomanceofthelasercladTilAlmatrixcompositecoatingonaviationtitaniumalloysisintroduced，whichprovidesanimportantactualsignificancetothedevelopmentofthesurfacemodi．矗cations／strengheningofaviationmaterials．KevwOrds：AviationmaterialTitaniumaUovLa．sermachinin2Surfhce近年来，随着航空科学技术的不断进步，现代军用飞机在制造过程中大

3、量采用新材料与新技术，特别是飞机主要结构材料的使用，逐渐从铝合金、高强度结构钢转向钛合金和复合材料。飞机制造中较多地采用钛合金，如Ti一6Al一4V(牌号TC4)。激光熔覆技术可有效运用于航空制造业中，达到提高航空钛合金表面硬度与耐磨性的目的，这对于航空材料的进一步发展具有重要意义【l‘21。针对不同航空零部件的服役条件，以及高能密度激光束加热温度高与加热冷却速度快等特点，在钛合金表面激光熔覆制备金属／陶瓷复合涂层，可将金属材料的高塑性、韧性与陶瓷材料优异的耐磨、耐腐蚀等性能有机结合，从而达到大幅度延长航空零部件使用寿命的目的舻】。激光熔覆工艺中最先使用的熔覆材料是Co基m】、Fe基I”以及

4、Ni基隅1自熔合金。Ti，Al金属问化合物具有高比强以及良好的抗氧化性等性能，被认为是航空领域最具发展前景的轻质材料一一01。激光熔覆Ti，Al基金属陶瓷复合涂层既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具备较好的+国防重大基础科研项目，博士后科学基金资助项目(2012M520135)资助。76航空制造技术·2013年第16期金属间化合物的韧性和可塑性的特点，是未来航空材料的研究热点；另外，由于激光束具有加热温度高及冷却速度快等特点，可在Ti，Al基金属陶瓷复合涂层中生成部分非晶一纳米晶相，从而进一步改善涂层性能。1氮气环境中激光熔覆Ti。AI基复合涂层的组织

5、性能激光氮化是在氮气环境中利用激光辐射熔化基材表面，并可在其表面制备组织结构致密的氮化层㈣。在航空钛合金基材表面进行激光氮化可有效改善其表面的硬度与耐磨性能。激光氮化处理后钛的氮化物主要分布于激光熔覆层表层。氮气作为保护气时，在Tc4钛合金表面激光熔覆Ti扭l+TiB，预置粉末可生成Ti3Al+TiB2／TiN复合涂层。图1分别为氮气作为保护气，激光功率为0．8～0．9kw，扫描速度5mm／s时，Tc4基材表面制备的TiAl+30％TiB2，Ti，Al+40％TiB，及TiAl+50％TiB，激光熔覆层的宏观组织形貌。氮气环境中不同TiB，含量的Ti，Al基激光熔覆层的SEM图像如图2所示。

6、比较图2(a)与(b)可知，TiN析出相在氮气环境中制备的TiAl+20％TiB，涂层中的尺寸明显大于其在Ti、Al+40％TiB，涂层中的尺寸。故可推测，当TiB，在预置涂层中含量低于50％时，激光熔覆层组织的细化程度与TiB’在预置涂层中的含量成正比；且TiN与TiB，相间生长，这有利于抑制粗大化合物在激光熔覆涂层中的产生。图2(c)表明，大量硼化物聚集在Ti，Al+40％TiB，涂层基底的晶界处，对涂层起到细化及强化晶界的作用。另有不同形态的TiB，析出相弥散分布在TiAl+30％TiB：涂层基底处，对涂层起到弥散强化作用(见图2(d))。但由于激光熔池冷却速度极高，Ti，A1+30％

7、TiB2熔池中TiB2生长时间极为有限，部分TiB：无法获得充足时间长大，导致大量极为细小的TiB：析出相产生，部分呈纳米粒子与纳米棒结构

8、131。TIn州M舢oYw岫№TEcHN吼oGY钛合金焊接技术(a)30％TiB2(b)40％TiB2(a)50％TiB2图1氮气保护气中不同T旧：含量的Ti3Al基激光熔覆层的组织形貌旧Fig．1Images0fTi3AImatrixIasercIadcoatingsw