Резюме: За да се подобри устойчивостта на износване лазерно покритие Композитно покритие Ni + TiB2, приготвено върху повърхност на Ti6Al4V, изследва се влиянието на съотношението на праха върху микроструктурата и механичните свойства. Лазерното облицовъчно покритие се състои главно от твърд разтвор на сплав TiB，TiB2，α-Ti，β-Ti，NiTi и TiO2. Облицовъчният слой се състои главно от черна елиптична фаза， удължена игловидна фаза и заобикаляща клетъчна кристална фаза， Черната елиптична фаза，игловидната фаза и заобикалящата клетъчна кристална фаза са съответно TiB2，TiB，NiTi， Когато съдържанието на добавка на TiB2 се увеличи，съдържанието на TiB се увеличава， металографските частици на TiB стават груби． Най-високата микротвърдост на облицовъчния слой достига 920． 8 HV1． 0, което е около 3 пъти по-голямо от това на сплавта Ti6Al4V, повишената микротвърдост подобрява устойчивостта на износване на облицовъчното покритие. Чупливото разцепване става по-сериозно с увеличаване на натоварването， и композитното покритие не е подходящо за условия на високо натоварване，
Ключови думи: лазерно облицоване; Композитно покритие Ni + TiB2; Ti6Al4V; свойство за устойчивост на износване

1. Въведение

Титановите сплави имат отлични свойства като висока якост, ниска плътност и добра устойчивост на корозия и често се използват в космическото, морското инженерство, автомобилостроенето и други области [1]. Но ниската твърдост и ниската износоустойчивост на титановите сплави ограничават широкото им приложение. В технологията за модифициране на повърхността лазерното покритие с висока енергийна плътност, малка зона на топлинно въздействие и силно металургично свързване винаги е привличало много внимание [2].

В лазерното напластяване на титанови сплави са въведени различни системи от материали, сред които системата от композитни материали е по-популярен и ефективен метод [3]. В системата от композитни материали TiB2 подсилващата фаза се използва като възможен начин за подобряване на твърдостта и устойчивостта на износване. Qi K. и др. [1] подготвиха композитно покритие TiB2/метал върху сплав Ti6Al4V чрез лазерно покритие Fe, Co, Cr, B и C смесени прахове и проучиха ефекта на магнитното поле върху механичните свойства и свойствата на износване на покритието. Lin YH et al. [4] използва чист TiB2 прах, за да подготви TiB2/TiB градиентно покритие върху титанова сплав. Микротвърдостта показва тенденция на градиентно намаляване, но якостта на счупване показва тенденция на градиентно увеличаване. Kumar S. и др. [5] изследваха прахообразната смес от лазерно облицовъчно покритие Ti6Al4V, CBN и TiO2 и откриха различни структури като игловидна, цилиндрична прътовидна форма и дендритна форма с къса дължина. Композитният материал с метална матрица (TiN, TiAlN, AlN и TiB2) от нитрид и борид се използва като основна структурна фаза на покритието за подобряване на твърдостта и устойчивостта на износване.

Никелът или сплавта на основата на никел е идеална матрица с добра структурна стабилност, устойчивост на висока температура, устойчивост на корозия, висока якост и добра омокряемост. Композитното покритие, подсилено с частици с лазерна облицовка, беше приготвено чрез директно добавяне на усилващ агент или свързани елементи към оптимизирания прах от сплав, а покритието с лазерно облицовка с най-малко две фази с различни механични свойства ще се превърне във важно изискване за укрепване на повърхността в бъдеще [6]. Xu SY и др. [7] подготвиха композитно покритие TiC/Ni60 върху повърхността на сплав Ti6Al4V чрез лазерно напластяване. Yu XL и др. [2] подготви композити от никел-титанов карбид върху 20 стоманена подложка чрез лазерно покритие. Голямото количество TiC частици в Ni/40TiC композита възпрепятства растежа на никелови кристали, което води до по-фина микроструктура на Ni/40TiC композита. Средната микротвърдост на композита Ni/40TiC е около 851HV, а коефициентът на триене е 0.43. Wang Q. и др. [8] изследват микроструктурата и свойствата на базирани на Ni градиентни композитни покрития. Покритията се състоят от Ni матрица, WC и множество твърди фази от карбид и борид. Максималната микротвърдост достига 1053.5HV0.2, а стойностите на коефициента на триене и загубата на износване са по-ниски от тези на стомана Q345.

За да се проучи микроструктурата и устойчивостта на износване на сплав Ti6Al4V, бяха избрани смесени прахове Ni и TiB2 за приготвяне на слоеве за лазерно покритие от сплав Ti6Al4V.

2 Експериментални материали и методи
2. 1 Експериментални материали
Като субстрат беше избрана плоча от сплав Ti100Al100V с размери 10 mm × 6 mm × 4 mm и нейният химичен състав и механични свойства са показани съответно в таблица 1 и таблица 2. Тъй като Ni прахът може да подобри разпределението на източника на топлина и да концентрира топлината по време на лазерно облицоване, Ni прах и TiB2 прах бяха избрани за приготвяне на композитно покритие с TiB2 като усилваща фаза. Металографската морфология на Ni прах и TiB2 прах е показана на фигура 1.

2. 2 Експериментални методи
За да се направи прахът и основната плоча плътно свързани, беше използвано механично смилане за отстраняване на повърхностния оксиден слой на плочата от титанова сплав и 5% HF + 15% разтвор на HNO3 киселина беше използван за отстраняване на маслени петна. За осигуряване на непрекъснат лазер беше използван лазер с непрекъснати влакна YSL-3000 и плочата Ti6Al4V с предварително зададен прах беше поставена в пластмасова кутия с размери 200 mm × 200 mm × 50 mm и в пластмасовата кутия непрекъснато се инжектира газ аргон. По време на процеса на лазерно покритие диаметърът на петното е 1.8 mm, а скоростта на сканиране е 7 mm/s. Когато съотношението на Ni + TiB2 е 40%, параметрите на лазерния прах са съответно 700W, 900W и 1100W и се изследва ефектът на лазерния прах върху микроструктурата и механичните свойства; когато масата на лазерния прах е 900 W, съотношенията на праха са съответно Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 и се изследва ефектът на съотношението на праха върху масата на лазерния прах. Образците с лазерно покритие могат да бъдат маркирани като S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

Образците от рентгенов дифрактометър (XＲD), образците от сканиращ електронен микроскоп (SEM) и образците за изпитване на производителност бяха приготвени чрез електрическо искрово рязане и образците бяха механично шлифовани, механично полирани и корозирали от 5% HF + 15% разтвор на HNO3 киселина. Фазовият състав на лазерния облицовъчен слой се характеризира с Brooker D8-advance микрозонален рентгенов дифрактометър (XＲD), а микроструктурата на лазерния облицовъчен слой се наблюдава с оптичен микроскоп (OM) и сканиращ електронен микроскоп (SEM). Уредът за измерване на твърдост HV-5 Vickers беше изследван за измерване на твърдостта по дълбочината на повърхността на лазерния облицовъчен слой. Високоскоростният тестер за триене и износване с възвратно-постъпателно движение HＲS-2M беше избран за тестове за триене и износване. Спомагателният материал за триене беше Si3N2 керамична смилаща топка с диаметър 4 mm. Параметрите на триене и износване бяха възвратно-постъпателна скорост от 200r/min и радиално натоварване от 20/40/60N.

3 Резултати и обсъждане
3.1 XRD фазов състав
XRD фазовият състав на петте проби е показан на фигура 2. Всяка проба съдържа малко количество TiN в химичния си състав, което е причината N атомите да проникнат в слоя на лазерната обвивка, за да предизвикат реакцията на азотиране. По време на потока от разтопения басейн, малко количество ванадий се разтваря в матричния материал от титаниева сплав и в този процес α фазата се трансформира в β фазата, така че β-Ti се появява на Фигура 2. TiB2 има разтваряне-утаяване характеристика по време на процеса на лазерно покритие. Малко количество TiB2 може да бъде напълно разтворено и малко TiB2 може да се комбинира с Ti, за да образува TiB, а останалият TiB2 може да рекристализира. Ti може да реагира с Ni, за да образува NiTi, Ni3Ti и NiTi2, но Ti и Ni имат еднаква енергия на химичната връзка, което улеснява образуването на стабилно NiTi метално инертно съединение, а Ti атомите имат силна скорост на дифузия, така че Ti и Ni реагират, за да образуват само NiTi［9］. Както може да се види от Фигура 2, лазерният облицовъчен слой се състои главно от TiB, TiB2, α-Ti, твърд разтвор на NiTi сплав, TiO2 и т.н., а резултатите от XRD също показват малко количество β-Ti.

Според средната свободна енергия на Гибс могат да възникнат три реакции: вижте (1), (2) и (3) на фигурата. По време на процеса на лазерно облицоване атомите Ni и B могат да реагират с атомите Ti, за да генерират TiB2, NiTi и TiB. Средната свободна енергия на Гибс ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, така че редът на образуване на материала е TiB > NiTi > TiB2.

Когато делът на TiB2 прах се увеличи до 30%, формулата за термохимична реакция (2) продължава надясно. TiB фазата в лазерния облицовъчен слой се увеличава, а Ti фазата намалява. Когато делът на TiB2 прах продължава да нараства до 40%, съдържанието на TiB и TiB2 фази се увеличава допълнително. В допълнение, Ni и Ti имат силен афинитет и постепенно образуват NiTi метализация. Следователно крайните основни продукти на лазерния облицовъчен слой Ni + 40% TiB2 са NiTi, TiO2, TiB, TiB2 и Ti.

3.2 Микроструктура
SEM структурата на Ni + 20% TiB2 лазерен облицовъчен слой е показана на Фигура 3. Обвивъчният слой се състои главно от черна елиптична фаза, удължена иглена фаза и заобикаляща клетъчна фаза. Средният диаметър на най-разпространената фаза на микрочастиците е 0.5 ~ 3.0 μm. Тъй като атомният номер на B елемент е 5, обикновеният енергиен спектрален анализатор не може да измери точно съдържанието на елементи с атомен номер по-малък от 10. Рентгеновият микроанализ с електронна сонда (EPMA) се използва за измерване на разпределението и съдържанието на всеки елемент в облицовъчен слой [10, 11]. Резултатите от EPMA на различни позиции на фигура 3 са показани в таблица 3.

От таблица 3 може да се види, че химическият състав на облицовъчния слой се състои главно от Ti, B, Ni елементи и съдържа малко количество Al и V елементи. Съдържанието на Ti и Ni елементи в позиция a е основно същото, няма B елемент и може да съществува твърд разтвор NiTi. Основните елементи в позиция b са Ti и B, като съдържанието на двата елемента надхвърля 40%. Може да се заключи, че игловидната фаза в позиция b е TiB.

Съгласно термодинамичния закон на Гибс, енергията на връзката BB > енергията на връзката B-Ti > енергията на връзката Ti-Ti [12], което прави скоростта на растеж на TiB в собствената му посока на височина по-бърза и по-бърза от посоката на растеж, перпендикулярна на собствената му височина, което прави игловидната фаза лесна за появяване. Съдържанието на елемент B в позиция c е около два пъти по-голямо от съдържанието на елемент Ti. XRD спектърът на фигура 2 показва, че интензитетът на дифракционния пик на TiB2 е относително висок. Черната елипсовидна фаза в позиция c вероятно е TiB2.

SEM микроструктурата на лазерни облицовъчни слоеве с различни прахови съотношения е показана на Фигура 4. Може да се види, че когато съдържанието на TiB2 е малко, съдържанието на TiB в облицовъчния слой намалява и разпределението му също е по-разпръснато. Когато добавянето на TiB2 се увеличи, съдържанието на TiB се увеличава, металографските частици на TiB стават по-груби и разпределението се разпръсква. Това явление се причинява от увеличаването на B елемента, насърчавайки реакцията между B и Ti елемента.

За да се изследва микроструктурата на покритието, SEM микроструктурата на горната, средната и долната част на покритието е показана на фигура 5.

Еволюцията на структурата на облицовъчния слой с градиента на дълбочината е много очевидна. Голям брой двуфазни частици се синтезират in situ в горната част на покритието, много от които са фино натрошени и има малък брой игловидни и оформени структури. В същото време твърдите усилващи частици TiB и TiB2 могат да предотвратят прекомерна загуба на температура в горната част на разтопения басейн. След разтопяване и разрушаване зърната в облицовъчния слой растат ненасочено в неправилна посока и се образуват отново. Размерът на новата фаза след нуклеация е малък, което прави фазовите частици рафинирани [13]. Средата на покритието може да бъде повлияна от редуваща се топлинна конвекция отгоре надолу и голям брой елементи са концентрирани в средата, така че EPMA не може да открие борни елементи, а горната част на покритието се състои от черни фази с форма на венчелистчета , черни фини игловидни фази и бели фази на рибена кост.

Както е показано на фигура 6, резултатите от равнинното сканиране на микроструктурата показват, че има богата евтектична структура. Черната фаза с форма на венчелистче може да бъде евтектична фаза TiB/TiB2/TiNiB, фазата на бяла рибена кост е NiTi, а другите фази са производни на трансформацията на титанова мартензитна фаза. BES микроструктурата в средата на 20% TiB2 лазерно облицовъчно покритие е показана на Фигура 7, с фази от различни цветове, а именно ярко бяло, черно и тъмно сиво. Светлият е интерметалното съединение NiTi, черният е смесената фаза на титан и бор, а тъмносивият е смесената фаза на мартензитен титан и титанов оксид. Фазата на рибена кост в долната част на покритието на лазерната облицовка постепенно се увеличава, площта на тъмносивия слой започва да се увеличава, а черната фаза с форма на венчелистче и черната фаза с форма на фина игла значително намаляват.

3.3 Микротвърдост
Според теста за микротвърдост, твърдостта на сплавта Ti6Al4V е 349.2HV1.0. Разпределението на микротвърдостта на слоевете за лазерно покритие, приготвени с различни съотношения на прах по дълбочина, е показано на Фигура 8. Може да се види, че микротвърдостта на слоевете за лазерно покритие с различни съотношения на прах е по-висока от тази на сплавта Ti6Al4V. С увеличаване на съотношението на TiB2 прах, микротвърдостта постепенно се увеличава. Когато праховото съотношение на TiB2 е 40%, най-високата микротвърдост на облицовъчния слой достига 920.8HV1.0, което е около 3 пъти повече от тази на сплавта Ti6Al4V.

С увеличаване на дълбочината на лазерния облицовъчен слой в рамките на определен диапазон, микротвърдостта на слоя показва бърза тенденция на спад, а напречният слой над свързващата повърхност на субстрата и покритието показва флуктуационен феномен на микротвърдост. В зоната на топлинно въздействие е напречният слой с дълбочина от 0.7 до 0.8 mm. Микротвърдостта на тази зона е около 400HV1.0 и тенденцията на нарастване на микротвърдостта е много бавна. Микротвърдостта на напречния слой на дълбочина от 0.7 до 0.8 mm е сравнително висока, тъй като по-твърдите TiB2 зърна в лазерния облицовъчен слой имат силна устойчивост на удар и процесът на лазерно облицоване може да насърчи образуването на фин TiB и да предотврати образуването на зърна плъзгане на гранична дислокация, като по този начин се подобрява микротвърдостта на слоя за лазерна облицовка, приготвен чрез процеса на лазерна облицовка [14].

Под въздействието на потока от разтопен басейн, повърхностният TiB2 започва да дифундира и ще има малко остатъчен TiB2 в средата на облицовъчния слой, но концентрацията няма да бъде твърде висока и микроструктурата [15] също ще намалее леко . Долният ръб на облицовъчния слой е зоната на топлинно въздействие. Голямо количество Ti елементи изплуват нагоре след топене, което води до голяма степен на разреждане на основния материал в разтопената вана, без достатъчно укрепваща фаза, а засегнатата от топлина зона има най-ниската микротвърдост [16]. Резултатите показват, че добавянето на TiB2 прах значително подобрява твърдостта на облицовъчния слой.

3.4 Устойчивост на износване
Степента на износване на лазерния облицовъчен слой със същото съотношение на праха варира в зависимост от натоварването, както е показано на Фигура 9. Степента на износване на Ti6Al4V и лазерните облицовъчни слоеве се увеличава с увеличаването на натоварването, а степента на износване на лазерните облицовъчни слоеве е много по-ниска от този на Ti6Al4V субстратните материали, което показва, че устойчивостта на износване на облицовъчните слоеве е много отлична. Скоростта на износване на облицовъчните слоеве е тясно свързана със съдържанието на твърда фаза. Когато съотношението на праха TiB2 се увеличи от 20% на 30%, съдържанието на твърда фаза на TiB се увеличава и степента на износване намалява; когато съотношението на праха TiB2 се увеличи от 30% на 40%, съдържанието на твърда фаза на TiB допълнително се увеличава и се появява TiB2, което води до минимална скорост на износване от само 1.5 × 10-4 mm3/s.

SEM морфологията на износване на Ti6Al4V при различни натоварвания е показана на Фигура 10. Както може да се види от Фигура 10а, титановата сплав произвежда много малко остатъци от износване при натоварване от 20 N, а зоната на износване е неправилна, извита и диамантено- оформен (вижте област А на фигура 10а), което показва, че материалът на субстрата Ti6Al4V е сериозно повреден по време на възвратно-постъпателно движение. Когато натоварването се увеличи до 40N, дълбочината на улея се увеличава (вижте зона B на Фигура 10b), абразивните частици се увеличават бързо и възникват износване и отклонение по време на процеса на износване на субстрата, така че абразивното износване и износването на лепило са много сериозни. Когато натоварването е 60N, върху износващата се повърхност се образуват големи дупки (вижте зона C на фигура 10c), а абразивните частици се натрупват върху повърхността на надраскване (вижте зона D на фигура 10c). Следователно повишеното натоварване ще ускори отлепването на материала от титанова сплав по време на процеса на триене и износване, а характеристиките на триене и износване на титановата сплав са много лоши. Li JN et al. [17] и Weng F. et al. [18] също откриват подобни повърхности на износване на титанови сплави.

Облицовъчният слой Ni + 40% TiB2 има най-висока микротвърдост и най-добра устойчивост на износване. Следователно облицовъчният слой Ni + 40% TiB2 върху повърхността на титановата сплав беше избран за изследване на механизма на износване на лазерния облицовъчен слой. SEM морфологията на износване на лазерен облицовъчен слой при различни натоварвания е показано на Фигура 11. Микротвърдостта на лазерния облицовъчен слой е значително подобрена, така че износоустойчивостта на облицовъчния слой е много по-добра от тази на титановата сплав. Както може да се види от Фигура 11а, броят на абразивните частици е значително намален и размерът също е станал много по-малък (вижте област А на Фигура 11а). Това се дължи на износването на твърдите NiB, TiB2 и TiO2 твърди фази [5]. Някои срутени структури се появяват в износения облицовъчен слой (вижте област B на фигура 11b). Структурата вероятно е частици от твърда фаза. Малките метални стърготини са на ивици поради високата си товароносимост, като се избягва образуването на канали и драскотини. Когато натоварването се увеличи до 40 N, е по-вероятно да възникне ламеларно разцепване, абразивният прах на облицовъчния слой Ni + 40% TiB2 се увеличава значително, появяват се микропори върху износената повърхност (вижте зона C на фигура 11b) и абразивното износване и в същото време възниква износване на лепило. С по-нататъшното увеличаване на натоварването абразивният прах от облицовъчен слой започва да се разпространява по цялата износена повърхност и дълбочината и ширината на микропорите се увеличават (вижте област D на фигура 11b). Всички тези явления показват, че с увеличаване на натоварването крехкото разцепване става по-сериозно и композитното покритие не е подходящо за условия на високо натоварване.

4 Заключение

За да се подобри устойчивостта на износване на сплавта Ti6Al4V, лазерно облицовъчно покритие се приготвя върху повърхността на титанова сплав чрез използване на Ni и TiB2 смесен прах. Резултатите са показани по-долу.

(1) Резултатите от XRD на лазерния облицовъчен слой показват, че лазерният облицовъчен слой се състои главно от TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, твърд разтвор на NiTi сплав и TiO2, и с увеличаването на съотношението на прах TiB2, TiB2 фазата съдържанието се увеличава допълнително.

(2) Облицовъчният слой се състои главно от черна елипсовидна фаза, удължена игловидна фаза и заобикаляща клетъчна фаза. Черната елиптична фаза е TiB2, игловидната фаза е TiB, а околната клетъчна фаза е NiTi. С увеличаване на добавянето на TiB2 съдържанието на TiB се увеличава и металографските частици на TiB стават по-груби.

(3) Когато съотношението на праха TiB2 е 40%, микротвърдостта на облицовъчния слой достига максимум 920. 8HV1. 0, което е около 3 пъти повече от сплавта Ti6Al4V. Увеличаването на микротвърдостта подобрява устойчивостта на износване на облицовъчния слой. С увеличаване на натоварването крехкото отлепване на композитното покритие става все по-сериозно, което не е подходящо за условия на високо натоварване.