Resum: Per tal de millorar el rendiment de resistència al desgast revestit amb làser Revestiment compost de Ni + TiB2 preparat a la superfície de Ti6Al4V, s'estudia la influència de la proporció de pols en la microestructura i les propietats mecàniques. El recobriment de revestiment làser es compon principalment de TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, solució sòlida d'aliatge de NiTi i TiO2. La capa de revestiment es compon principalment de fase el·líptica negra, fase allargada en forma d'agulla i fase de cristall cel·lular circumdant. La fase el·líptica negra, la fase semblant a l'agulla i la fase cristal·lina cel·lular circumdant són TiB2, TiB, NiTi, respectivament. Quan augmenta el contingut de la quantitat d'additiu de TiB2, augmenta el contingut de TiB, les partícules metal·logràfiques de TiB es tornen gruixudes. La microduresa més alta de la capa de revestiment arriba als 920. 8 HV1. 0, que és aproximadament 3 vegades la de l'aliatge Ti6Al4V, l'augment de la microduresa millora les propietats de resistència al desgast del recobriment del revestiment. El trencament trencadís es fa més greu amb l'augment de la càrrega, i el recobriment compost no és adequat per a condicions de càrrega elevada.
Paraules clau: revestiment làser; recobriment compost de Ni + TiB2; Ti6Al4V; propietat de resistència al desgast

1. Introducció

Els aliatges de titani tenen excel·lents propietats, com ara alta resistència, baixa densitat i bona resistència a la corrosió, i s'utilitzen sovint en l'aeronàutica, l'enginyeria marina, la fabricació d'automòbils i altres camps [1]. Tanmateix, la baixa duresa i la poca resistència al desgast dels aliatges de titani limiten la seva àmplia aplicació. En la tecnologia de modificació de superfícies, el revestiment làser amb una alta densitat d'energia, una petita zona afectada per la calor i una forta unió metal·lúrgica sempre ha cridat molta atenció [2].

S'han introduït diferents sistemes de materials en el revestiment làser d'aliatges de titani, entre els quals el sistema de material compost és un mètode més popular i eficaç [3]. En el sistema de material compost, la fase de reforç de TiB2 s'utilitza com a forma factible de millorar la duresa i la resistència al desgast. Qi K. et al. [1] va preparar un recobriment compost de TiB2/metall sobre un aliatge Ti6Al4V mitjançant un revestiment làser de pols mixtes Fe, Co, Cr, B i C, i va estudiar l'efecte del camp magnètic sobre les propietats mecàniques i de desgast del recobriment. Lin YH et al. [4] va utilitzar pols de TiB2 pura per preparar el recobriment de gradient de TiB2/TiB sobre aliatge de titani. La microduresa va mostrar una tendència a la disminució del gradient, però la duresa a la fractura va mostrar una tendència a l'augment del gradient. Kumar S. et al. [5] va estudiar la barreja de pols de recobriment de revestiment làser de Ti6Al4V, CBN i TiO2 i va trobar diferents estructures com ara en forma d'agulla, en forma de vareta cilíndrica i en forma de dendrita de longitud curta. El material compost de matriu metàl·lica (TiN, TiAlN, AlN i TiB2) de nitrur i borur es va utilitzar com a fase estructural principal del recobriment per millorar la duresa i la resistència al desgast.

El níquel o l'aliatge a base de níquel és una matriu ideal amb bona estabilitat estructural, resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió, alta resistència i bona humectabilitat. El recobriment compost reforçat amb partícules de revestiment làser es va preparar afegint directament un agent de reforç o elements relacionats a la pols d'aliatge optimitzat, i el revestiment de revestiment làser amb almenys dues fases amb propietats mecàniques diferents es convertirà en una demanda important per a l'enfortiment de la superfície en el futur [6]. Xu SY et al. [7] va preparar un recobriment compost de TiC/Ni60 a la superfície de l'aliatge Ti6Al4V mitjançant revestiment làser. Yu XL et al. [2] es van preparar compostos de carbur de níquel i titani sobre un substrat d'acer 20 mitjançant revestiment làser. La gran quantitat de partícules de TiC al compost Ni/40TiC va dificultar el creixement de cristalls de níquel, donant lloc a una microestructura més fina del compost Ni/40TiC. La microduresa mitjana del compost Ni/40TiC era d'uns 851HV i el coeficient de fricció era de 0.43. Wang Q. et al. [8] va estudiar la microestructura i les propietats dels recobriments compostos de gradient basats en Ni. Els recobriments constaven de matriu de Ni, WC i múltiples fases dures de carbur i borur. La microduresa màxima va arribar a 1053.5HV0.2, i el coeficient de fricció i els valors de pèrdua de desgast eren inferiors als de l'acer Q345.

Per estudiar la microestructura i la resistència al desgast de l'aliatge Ti6Al4V, es van seleccionar pols mixtes de Ni i TiB2 per preparar capes de revestiment làser d'aliatge Ti6Al4V.

2 Materials i mètodes experimentals
2. 1 Materials experimentals
Es va seleccionar una placa d'aliatge Ti100Al100V de 10 mm × 6 mm × 4 mm com a substrat, i la seva composició química i propietats mecàniques es mostren a la taula 1 i a la taula 2, respectivament. Com que la pols de Ni pot millorar la distribució de la font de calor i concentrar la calor durant el revestiment làser, es van seleccionar pols de Ni i pols de TiB2 per preparar un recobriment compost amb TiB2 com a fase de reforç. La morfologia metal·logràfica de la pols de Ni i la pols de TiB2 es mostra a la figura 1.

2. 2 Mètodes experimentals
Per tal que la pols i la placa base estiguin ben unides, es va utilitzar una mòlta mecànica per eliminar la capa d'òxid superficial de la placa d'aliatge de titani i es va utilitzar una solució àcida al 5% HF + 15% HNO3 per eliminar les taques d'oli. Es va utilitzar un làser de fibra contínua YSL-3000 per proporcionar làser continu i la placa Ti6Al4V amb pols preestablerta es va col·locar en una caixa de plàstic de 200 mm × 200 mm × 50 mm i es va injectar gas argó contínuament a la caixa de plàstic. Durant el procés de revestiment làser, el diàmetre del punt és d'1.8 mm i la velocitat d'escaneig és de 7 mm/s. Quan la proporció de Ni + TiB2 és del 40%, els paràmetres de pols làser són 700W, 900W i 1100W respectivament, i s'estudia l'efecte de la pols làser sobre la microestructura i les propietats mecàniques; quan la massa de pols làser és de 900 W, les proporcions de pols són Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 respectivament, i s'estudia l'efecte de la proporció de pols sobre la massa de pols làser. Les mostres amb capa de revestiment làser es poden marcar com S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

Les mostres del difractòmetre de raigs X (XＲD), les mostres de microscopi electrònic d'escaneig (SEM) i les mostres de prova de rendiment es van preparar mitjançant tall elèctric d'espurna, i les mostres es van rectificar mecànicament, polir mecànicament i corroir per una solució d'àcid 5% HF + 15% HNO3. La composició de fase de la capa de revestiment làser es va caracteritzar pel difractòmetre de raigs X de micro-àrea avançada Brooker D8 (XＲD), i la microestructura de la capa de revestiment làser es va observar mitjançant un microscopi òptic (OM) i un microscopi electrònic d'escaneig (SEM). El provador de duresa HV-5 Vickers es va estudiar per mesurar la duresa al llarg de la profunditat superficial de la capa de revestiment làser. El provador de fricció i desgast alternatiu d'alta velocitat HＲS-2M es va seleccionar per a proves de fricció i desgast. El material auxiliar de fricció era una bola de mòlta de ceràmica Si3N2 amb un diàmetre de 4 mm. Els paràmetres de fricció i desgast eren una velocitat recíproca de 200r/min i una càrrega radial de 20/40/60N.

3 Resultats i discussió
3.1 Composició de la fase XRD
La composició de fase XRD de les cinc mostres es mostra a la figura 2. Cada mostra conté una petita quantitat de TiN en la seva composició química, motiu pel qual els àtoms de N penetren a la capa de revestiment làser per provocar la reacció de nitruració. Durant el flux de la piscina fosa, una petita quantitat de vanadi es dissol en el material de la matriu d'aliatge de titani i, en aquest procés, la fase α es transforma a la fase β, de manera que β-Ti apareix a la figura 2. TiB2 té una dissolució-precipitació característica durant el procés de revestiment làser. Una petita quantitat de TiB2 es pot dissoldre completament i una part de TiB2 es pot combinar amb Ti per formar TiB, i el TiB2 restant es pot recristal·litzar. Ti pot reaccionar amb Ni per formar NiTi, Ni3Ti i NiTi2, però Ti i Ni tenen la mateixa energia d'enllaç químic, cosa que fa que sigui més fàcil formar un compost inert de metall NiTi estable, i els àtoms de Ti tenen una gran velocitat de difusió, de manera que Ti i Ni reaccionar per formar només NiTi［9］. Com es pot veure a la figura 2, la capa de revestiment làser es compon principalment de TiB, TiB2, α-Ti, solució sòlida d'aliatge de NiTi, TiO2, etc., i els resultats de XRD també mostren una petita quantitat de β-Ti.

Segons l'energia lliure mitjana de Gibbs, es poden produir tres reaccions: vegeu (1), (2) i (3) a la figura. Durant el procés de revestiment làser, els àtoms de Ni i B poden reaccionar amb els àtoms de Ti per generar TiB2, NiTi i TiB. L'energia lliure mitjana de Gibbs ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, de manera que l'ordre de formació del material és TiB > NiTi > TiB2.

Quan la proporció de pols de TiB2 augmenta fins al 30%, la fórmula de reacció termoquímica (2) continua cap a la dreta. La fase TiB a la capa de revestiment làser augmenta i la fase Ti disminueix. Quan la proporció de pols de TiB2 continua augmentant fins al 40%, el contingut de les fases TiB i TiB2 augmenta encara més. A més, Ni i Ti tenen una forta afinitat i formen gradualment la metal·lització de NiTi. Per tant, els productes principals finals de la capa de revestiment làser Ni + 40% TiB2 són NiTi, TiO2, TiB, TiB2 i Ti.

3.2 Microestructura
L'estructura SEM de la capa de revestiment làser Ni + 20% TiB2 es mostra a la figura 3. La capa de revestiment es compon principalment de fase el·líptica negra, fase d'agulla allargada i fase cel·lular circumdant. El diàmetre mitjà de la fase de micropartícules més distribuïda és de 0.5 ~ 3.0 μm. Com que el nombre atòmic de l'element B és 5, l'analitzador d'espectre d'energia ordinari no pot mesurar amb precisió el contingut d'elements amb un nombre atòmic inferior a 10. La microanàlisi de raigs X amb sonda d'electrons (EPMA) s'utilitza per mesurar la distribució i el contingut de cada element en el capa de revestiment [10, 11]. Els resultats de l'EPMA a diferents posicions de la figura 3 es mostren a la taula 3.

Es pot veure a la taula 3 que la composició química de la capa de revestiment es compon principalment d'elements Ti, B, Ni i conté una petita quantitat d'elements Al i V. El contingut d'elements Ti i Ni a la posició a és bàsicament el mateix, no hi ha cap element B i pot existir una solució sòlida de NiTi. Els elements principals a la posició b són Ti i B, i el contingut d'ambdós elements supera el 40%. Es pot inferir que la fase semblant a l'agulla a la posició b és TiB.

Segons la llei termodinàmica de Gibbs, energia d'enllaç BB > energia d'enllaç B-Ti > energia d'enllaç Ti-Ti [12], que fa que la taxa de creixement de TiB en la seva pròpia direcció d'alçada sigui més ràpida i més ràpida que la direcció de creixement perpendicular a la seva pròpia alçada, cosa que fa que aparegui fàcilment la fase semblant a l'agulla. El contingut de l'element B a la posició c és aproximadament el doble que l'element Ti. L'espectre XRD de la figura 2 mostra que la intensitat del pic de difracció de TiB2 és relativament alta. És probable que la fase el·líptica negra a la posició c sigui TiB2.

La microestructura SEM de les capes de revestiment làser amb diferents proporcions de pols es mostra a la figura 4. Es pot veure que quan el contingut d'addició de TiB2 és petit, el contingut de TiB a la capa de revestiment disminueix i la seva distribució també està més dispersa. Quan augmenta el contingut d'addició de TiB2, augmenta el contingut de TiB, les partícules metal·logràfiques de TiB es tornen més gruixudes i la distribució es dispersa. Aquest fenomen és causat per l'augment de l'element B afavorint la reacció entre l'element B i Ti.

Per estudiar la microestructura del recobriment, a la figura 5 es mostra la microestructura SEM de la part superior, mitjana i inferior del recobriment.

L'evolució de l'estructura de la capa de revestiment amb el gradient de profunditat és molt evident. Un gran nombre de partícules bifàsiques es sintetitzen in situ a la part superior del recobriment, moltes de les quals estan finament triturades, i hi ha un petit nombre d'estructures en forma d'agulla i en forma. Al mateix temps, les partícules dures de reforç de TiB i TiB2 poden evitar una pèrdua excessiva de temperatura a la part superior de la piscina fosa. Després de la fusió i la destrucció, els grans de la capa de revestiment creixen de manera no direccional en una direcció irregular i es renucleen. La mida de la nova fase després de la nucleació és petita, la qual cosa fa que les partícules de fase es refinin [13]. El mig del recobriment es pot veure afectat per la convecció de calor alternada de dalt a baix, i un gran nombre d'elements es concentren al mig, de manera que EPMA no pot detectar elements de bor, i la part superior del recobriment es compon de fases en forma de pètal negre. , fases negres en forma d'agulla fina i fases en espiga blanca.

Tal com es mostra a la figura 6, els resultats de l'exploració plana de la microestructura mostren que hi ha una estructura eutèctica rica. La fase en forma de pètal negre pot ser la fase eutèctica TiB/TiB2/TiNiB, la fase d'espina blanca és NiTi i les altres fases són derivades de la transformació de la fase martensítica de titani. La microestructura BES al mig del recobriment de revestiment làser TiB20 al 2% es mostra a la figura 7, amb fases de diferents colors, és a dir, blanc brillant, negre i gris fosc. El brillant és el compost intermetàl·lic NiTi, el negre és la fase mixta titani-bor, i el gris fosc és la fase mixta de titani martensític i òxid de titani. La fase d'espina de peix a la part inferior del recobriment de revestiment làser augmenta gradualment, l'àrea de la capa gris fosca comença a augmentar i la fase en forma de pètal negre i la fase negra en forma d'agulla fina es redueixen significativament.

3.3 Microduresa
Segons la prova de microduresa, la duresa de l'aliatge Ti6Al4V és 349.2HV1.0. La distribució de microduresa de les capes de revestiment làser preparades amb diferents proporcions de pols al llarg de la profunditat es mostra a la figura 8. Es pot veure que la microduresa de les capes de revestiment làser amb diferents proporcions de pols és superior a la de l'aliatge Ti6Al4V. Amb l'augment de la proporció de pols de TiB2, la microduresa augmenta gradualment. Quan la proporció de pols de TiB2 és del 40%, la microduresa més alta de la capa de revestiment arriba a 920.8HV1.0, que és aproximadament 3 vegades la de l'aliatge Ti6Al4V.

Amb l'augment de la profunditat de la capa de revestiment làser dins d'un cert rang, la microduresa de la capa mostra una tendència de disminució ràpida i la capa de secció transversal per sobre de la superfície d'unió del substrat i el recobriment mostra un fenomen de fluctuació de la microduresa. La capa de secció transversal amb una profunditat de 0.7 a 0.8 mm es troba a la zona afectada per la calor. La microduresa d'aquesta àrea és d'uns 400HV1.0 i la tendència a l'alça de la microduresa és molt lenta. La microduresa de la capa de secció transversal a una profunditat de 0.7 a 0.8 mm és relativament alta perquè els grans de TiB2 més durs de la capa de revestiment làser tenen una forta resistència a l'impacte, i el procés de revestiment làser pot promoure la formació de TiB fi i prevenir el gra. lliscament de dislocació del límit, millorant així la microduresa de la capa de revestiment làser preparada pel procés de revestiment làser [14].

Sota la influència del flux de la piscina fosa, la superfície TiB2 comença a difondre's i hi haurà una mica de TiB2 residual al mig de la capa de revestiment, però la concentració no serà massa alta i la microestructura [15] també disminuirà lleugerament. . La vora inferior de la capa de revestiment és la zona afectada per la calor. Una gran quantitat d'elements de Ti floten després de la fusió, donant lloc a una gran taxa de dilució del material original a la piscina fosa, sense una fase d'enfortiment suficient, i la zona afectada per la calor té la microduresa més baixa [16]. Els resultats mostren que l'addició de pols de TiB2 millora significativament la duresa de la capa de revestiment.

3.4 Resistència al desgast
La taxa de desgast de la capa de revestiment làser amb la mateixa proporció de pols varia amb la càrrega, tal com es mostra a la figura 9. Les taxes de desgast de Ti6Al4V i les capes de revestiment làser augmenten amb l'augment de la càrrega, i la taxa de desgast de les capes de revestiment làser és molt inferior a la la dels materials de substrat Ti6Al4V, cosa que indica que la resistència al desgast de les capes de revestiment és molt excel·lent. La taxa de desgast de les capes de revestiment està estretament relacionada amb el contingut de la fase dura. Quan la proporció de pols de TiB2 augmenta del 20% al 30%, el contingut de la fase dura de TiB augmenta i la taxa de desgast disminueix; quan la proporció de pols de TiB2 augmenta del 30% al 40%, el contingut de la fase dura de TiB augmenta encara més i apareix TiB2, donant lloc a una taxa de desgast mínima de només 1.5 × 10-4 mm3/s.

La morfologia de desgast SEM de Ti6Al4V sota diferents càrregues es mostra a la figura 10. Com es pot veure a la figura 10a, l'aliatge de titani produeix molt pocs residus de desgast sota una càrrega de 20 N, i la zona de desgast és irregular, corba i diamantada. amb forma (vegeu l'àrea A a la figura 10a), cosa que indica que el material del substrat Ti6Al4V està greument danyat durant el moviment alternatiu. Quan la càrrega augmenta a 40 N, la profunditat del barranc augmenta (vegeu l'àrea B a la figura 10b), les partícules abrasives augmenten ràpidament i el desgast i la desviació es produeixen durant el procés de desgast del substrat, de manera que el desgast abrasiu i el desgast de l'adhesiu són molt greus. Quan la càrrega és de 60 N, es generen grans fosses a la superfície de desgast (vegeu l'àrea C a la figura 10c) i les partícules abrasives s'acumulen a la superfície de rascades (vegeu l'àrea D a la figura 10c). Per tant, l'augment de la càrrega accelerarà el pelat del material d'aliatge de titani durant el procés de fricció i desgast, i el rendiment de fricció i desgast de l'aliatge de titani és molt pobre. Li JN et al. [17] i Weng F. et al. [18] també van trobar superfícies de desgast similars d'aliatges de titani.

La capa de revestiment Ni + 40% TiB2 té la microduresa més alta i la millor resistència al desgast. Per tant, es va seleccionar la capa de revestiment de Ni + 40% TiB2 a la superfície d'aliatge de titani per estudiar el mecanisme de desgast de la capa de revestiment làser. La morfologia de desgast SEM del capa de revestiment làser sota diferents càrregues es mostra a la figura 11. La microduresa de la capa de revestiment làser es millora significativament, de manera que el rendiment de desgast de la capa de revestiment és molt millor que el de l'aliatge de titani. Com es pot veure a la figura 11a, el nombre de partícules abrasives s'ha reduït molt i la mida també ha esdevingut molt més petita (vegeu l'àrea A de la figura 11a). Això es deu al desgast de les fases dures de NiB, TiB2 i TiO2 [5]. Algunes estructures col·lapsades apareixen a la capa de revestiment desgastada (vegeu l'àrea B a la figura 11b). És probable que l'estructura siguin partícules de fase dures. Les petites estelles metàl·liques tenen ratlles a causa de la seva gran capacitat de càrrega, evitant la formació de solcs i rascades. Quan la càrrega augmenta a 40 N, és més probable que es produeixi un trencament lamel·lar, la pols abrasiva de la capa de revestiment de Ni + 40% TiB2 augmenta significativament, apareixen microporus a la superfície desgastada (vegeu l'àrea C a la figura 11b) i el desgast abrasiu i el desgast de l'adhesiu es produeix al mateix temps. A mesura que la càrrega augmenta encara més, la pols abrasiva de la capa de revestiment comença a estendre's per tota la superfície desgastada i la profunditat i l'amplada dels microporos augmenten (vegeu l'àrea D a la figura 11b). Tots aquests fenòmens indiquen que amb l'augment de la càrrega, el trencament trencadís es torna més greu i el recobriment compost no és adequat per a condicions de càrrega elevada.

4 Conclusió

Per millorar la resistència al desgast de l'aliatge Ti6Al4V, recobriment de revestiment làser es va preparar a la superfície de l'aliatge de titani utilitzant pols mixta de Ni i TiB2. Els resultats es mostren a continuació.

(1) Els resultats de XRD de la capa de revestiment làser mostren que la capa de revestiment làser es compon principalment de TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, solució sòlida d'aliatge de NiTi i TiO2, i amb l'augment de la proporció de pols de TiB2, la fase TiB2 el contingut augmenta encara més.

(2) La capa de revestiment es compon principalment de fase el·líptica negra, fase allargada en forma d'agulla i fase cel·lular circumdant. La fase el·líptica negra és TiB2, la fase similar a l'agulla és TiB i la fase cel·lular circumdant és NiTi. Amb l'augment de l'addició de TiB2, el contingut de TiB augmenta i les partícules metalogràfiques de TiB es tornen més gruixudes.

(3) Quan la proporció de pols de TiB2 és del 40%, la microduresa de la capa de revestiment arriba a un màxim de 920. 8HV1. 0, que és aproximadament 3 vegades la de l'aliatge Ti6Al4V. L'augment de la microduresa millora la resistència al desgast de la capa de revestiment. A mesura que augmenta la càrrega, la peladura trencadissa del recobriment compost es fa cada cop més greu, cosa que no és adequada per a condicions de càrrega elevada.