Abstract: Per migliurà a prestazione di resistenza à l'usura rivestimenti laser Rivestimentu cumpostu Ni + TiB2 preparatu nantu à a superficia Ti6Al4V, l'influenza di u rapportu di polvere nantu à a microstruttura è e proprietà meccaniche hè studiata. U revestimentu di rivestimentu laser hè cumpostu principalmente di TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, soluzione solida in alliage NiTi è TiO2. U stratu di rivestimentu hè principalmente cumpostu da una fase ellittica nera, una fase agulla allungata è una fase cristallina cellulare circundante. A fase ellittica nera, a fase simile à l'agulla è a fase di cristallo cellulare circundante sò TiB2, TiB, NiTi, rispettivamente. Quandu u cuntenutu di a quantità di additivu TiB2 aumenta, u cuntenutu di TiB aumenta, e particelle metallografiche TiB diventanu grossolane. A più alta microdurezza di a strata di rivestimentu righjunghji 920． 8 HV1. 0, chì hè circa 3 volte quella di a lega Ti6Al4V, a microdurezza aumentata migliora e proprietà di resistenza à l'usura di u revestimentu di rivestimentu. U spalling fragile diventa più seriu cù a carica chì aumenta, è u revestimentu cumpostu ùn hè micca adattatu per e cundizioni di carica alta.
Keywords: cladding laser; Revestimentu cumpostu Ni + TiB2; Ti6Al4V; proprietà di resistenza à l'usura

1. I MUVRINI

L'aliaghji di titaniu anu proprietà eccellenti cum'è alta forza, bassa densità è bona resistenza à a corrosione, è sò spessu usati in l'aerospaziale, l'ingegneria marina, a fabricazione di l'automobile è altri campi [1]. Tuttavia, a bassa durezza è a scarsa resistenza à l'usura di l'alliages di titaniu limitanu a so larga applicazione. In a tecnulugia di mudificazione di a superficia, u laser cladding cù alta densità d'energia, una piccula zona affettata da u calore è un forte ligame metallurgicu hà sempre attiratu assai attenzione [2].

Diversi sistemi di materiale sò stati introdotti in u revestimentu laser di leghe di titaniu, trà quale u sistema di materiale compositu hè un metudu più populari è efficace [3]. In u sistema di materiale compositu, a fase di rinforzu TiB2 hè aduprata cum'è un modu fattibile per migliurà a durezza è a resistenza à l'usura. Qi K. et al. [1] hà preparatu un rivestimentu compositu TiB2 / metallu nantu à a lega Ti6Al4V da u laser cladding Fe, Co, Cr, B è C polveri misti, è hà studiatu l'effettu di u campu magneticu nantu à e proprietà meccaniche è di usu di u revestimentu. Lin YH et al. [4] hà utilizatu a polvere pura di TiB2 per preparà un rivestimentu di gradiente di TiB2 / TiB nantu à una lega di titaniu. A microdurezza dimustrava una tendenza di diminuzione di gradiente, ma a durezza di frattura mostrava una tendenza di aumentu di gradiente. Kumar S. et al. [5] hà studiatu a mistura di polvere di Ti6Al4V, CBN è TiO2 revestimentu di cladding laser, è truvò diverse strutture cum'è a forma d'agulla, a forma di bastone cilindrica è a forma di dendrite di corta lunghezza. U materiale compositu di a matrice metallica (TiN, TiAlN, AlN è TiB2) di nitruru è boru hè stata utilizata cum'è a fase strutturale principale di u revestimentu per migliurà a durezza è a resistenza à l'usura.

U nichel o una lega di nichel hè una matrice ideale cù una bona stabilità strutturale, resistenza à alta temperatura, resistenza à a corrosione, alta forza è bona wettability. U revestimentu compositu rinfurzatu cù particelle di rivestimentu laser hè statu preparatu aghjustendu direttamente agenti di rinforzu o elementi cunnessi à a polvera di lega ottimizzata, è u revestimentu di rivestimentu laser cù almenu duie fasi cù diverse proprietà meccaniche diventerà una dumanda impurtante di rinfurzà a superficia in u futuru [6]. Xu SY et al. [7] preparatu un revestimentu cumpostu TiC / Ni60 nantu à a superficia di l'alliage Ti6Al4V da u laser cladding. Yu XL et al. [2] cumposti di carburu di nichel-titanu preparatu nantu à sustratu d'acciaio 20 per cladding laser. A grande quantità di particelle di TiC in u compostu Ni / 40TiC hà impeditu a crescita di cristalli di nichel, risultatu in una microstruttura più fina di u compostu Ni / 40TiC. A microdurezza media di u compostu Ni / 40TiC era di circa 851HV, è u coefficient di attritu era 0.43. Wang Q. et al. [8] hà studiatu a microstruttura è e proprietà di i rivestimenti composti di gradiente basatu in Ni. I rivestimenti sò custituiti da matrice Ni, WC è fasi dure multiple di carburu è boruro. A microdurezza massima hà righjuntu 1053.5HV0.2, è u coefficiente di attritu è ​​i valori di perdita di usura eranu più bassi di quelli di l'acciaio Q345.

Per studià a microstruttura è a resistenza à l'usura di a lega Ti6Al4V, i polveri misti Ni è TiB2 sò stati scelti per preparà strati di rivestimentu laser in lega Ti6Al4V.

2 Materiali è metudi sperimentali
2. 1 Materiali spirimintali
Una piastra in lega Ti100Al100V 10mm × 6mm × 4mm hè stata scelta cum'è sustrato, è a so cumpusizioni chimica è e proprietà meccaniche sò mostrate in a Tabella 1 è a Tabella 2, rispettivamente. Siccomu Ni powder pò migliurà a distribuzione di a fonte di calore è cuncentrazione di u calore durante u laser cladding, Ni powder è TiB2 powder sò stati scelti per preparà un revestimentu cumpostu cù TiB2 cum'è a fase di rinfurzamentu. A morfologia metallografica di u polveru Ni è u polveru TiB2 hè mostrata in a Figura 1.

2. 2 I metudi spirimintali
Per fà u polveru è a piastra di basa strette, hè stata aduprata a macinazione meccanica per caccià a capa d'ossidu di a superficia di a placa di lega di titaniu, è a suluzione di 5% HF + 15% HNO3 hè stata aduprata per sguassà e macchie d'oliu. Un laser di fibra cuntinuu YSL-3000 hè stata utilizata per furnisce un laser cuntinuu, è a piastra Ti6Al4V cù u polu predeterminatu hè stata posta in una scatula di plastica 200mm × 200mm × 50mm, è u gas argon hè stata continuamente injected in a scatula plastica. Durante u prucessu di cladding laser, u diametru spot hè 1.8 mm è a vitezza di scanning hè 7 mm/s. Quandu u rapportu di Ni + TiB2 hè 40%, i paràmetri di u polu laser sò 700W, 900W è 1100W rispettivamente, è l'effettu di u polu laser nantu à a microstruttura è e proprietà meccaniche hè studiatu; quandu a massa di polveri laser hè 900W, i rapporti di polveri sò Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 rispettivamente, è l'effettu di u rapportu di polvera nantu à a massa di polveri laser hè studiatu. I campioni cù una strata di rivestimentu laser ponu esse marcati cum'è S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

I campioni di diffrattometru di raghji X (XＲD), i campioni di microscopiu elettronicu à scanning (SEM) è i campioni di prova di rendiment sò stati preparati per taglio di scintilla elettrica, è i campioni sò stati macinati meccanicamente, lucidati meccanicamente è corrosi da 5% HF + 15% HNO3 acid solution. A cumpusizioni di fasi di a strata di rivestimentu laser hè stata carattarizata da un diffrattometru di raghji X di micro-area di Brooker D8 (XＲD), è a microstruttura di a strata di rivestimentu laser hè stata osservata da u microscopiu otticu (OM) è u microscopiu elettronicu à scanning (SEM). U tester di durezza HV-5 Vickers hè statu studiatu per misurà a durezza longu à a prufundità di a superficia di a strata di rivestimentu laser. U tester HＲS-2M di frizione è di usura alternante à alta velocità hè statu sceltu per e teste di attritu è ​​di usura. U materiale ausiliariu di attritu era una bola di macinazione di ceramica Si3N2 cù un diametru di 4mm. I paràmetri di attritu è ​​di usura eranu vitezza reciprocante di 200r / min è carica radiale di 20/40/60N.

3 Risultati è discussione
3.1 Composizione di fase XRD
A cumpusizioni di a fase XRD di i cinque campioni hè mostrata in a Figura 2. Ogni mostra cuntene una piccula quantità di TiN in a so cumpusizioni chimica, chì hè u mutivu per quessa chì l'atomi N penetranu in a capa di cladding laser per causà a reazzione di nitriding. Duranti u flussu di a piscina fonduta, una piccula quantità di vanadiu si dissolve in u materiale di matrice di l'alliage di titaniu, è in questu prucessu, a fase α si trasforma in a fase β, cusì β-Ti appare in Figura 2. TiB2 hà una dissoluzione-precipitazione. caratteristica durante u prucessu di cladding laser. Una piccula quantità di TiB2 pò esse dissoluta cumplettamente, è qualchì TiB2 pò cumminà cù Ti per furmà TiB, è u TiB2 restante pò recristalizà. Ti pò reagisce cù Ni per furmà NiTi, Ni3Ti è NiTi2, ma Ti è Ni anu a listessa energia di u ligame chimicu, chì face più faciule per furmà un compostu inerte di metallu NiTi stabile, è l'atomi di Ti anu una forte diffusione, cusì Ti è Ni reagisce per furmà solu NiTi［9］. Comu pò esse vistu da a Figura 2, a strata di rivestimentu laser hè cumpostu principalmente di TiB, TiB2, α-Ti, soluzione solida d'alliage NiTi, TiO2, etc., è i risultati XRD mostranu ancu una piccula quantità di β-Ti.

Sicondu l'energia libera media di Gibbs, si ponu accade trè reazzioni: vede (1), (2) è (3) in a figura. Durante u prucessu di cladding laser, l'atomi Ni è B ponu reagisce cù l'atomi di Ti per generà TiB2, NiTi è TiB. L'energia libera media di Gibbs ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, cusì l'ordine di furmazione di materiale hè TiB > NiTi > TiB2.

Quandu a proporzione di polvere TiB2 aumenta à 30%, a formula di reazione termochimica (2) procede à a diritta. A fase TiB in a strata di cladding laser aumenta è a fase Ti diminuisce. Quandu a proporzione di polvere di TiB2 cuntinueghja à aumentà à 40%, u cuntenutu di e fasi TiB è TiB2 aumenta più. Inoltre, Ni è Ti anu una forte affinità è formanu gradualmente a metallizazione NiTi. Per quessa, i prudutti principali finali di Ni + 40% TiB2 laser cladding layer sò NiTi, TiO2, TiB, TiB2 è Ti.

3.2 Microstruttura
A struttura SEM di Ni + 20% TiB2 laser cladding layer hè mostrata in a Figura 3. U cladding strata hè principalmente cumpostu da a fase ellittica negra, a fase di l'agulla allungata è a fase cellulare circundante. U diametru mediu di a fase di micro-particella più distribuita hè 0.5 ~ 3.0μm. Siccomu u numeru atomicu di l'elementu B hè 5, l'analizzatore di spettru energeticu ordinariu ùn pò micca misurà accuratamente u cuntenutu di l'elementi cù u numeru atomicu menu di 10. A microanalisi di raghji X di sonda elettronica (EPMA) hè usata per misurà a distribuzione è u cuntenutu di ogni elementu in u strata di rivestimentu [10, 11]. I risultati EPMA in diverse pusizioni in a Figura 3 sò mostrati in a Tabella 3.

Pò esse vistu da a Tabella 3 chì a cumpusizioni chimica di a capa di cladding hè principalmente cumpostu di elementi Ti, B, Ni, è cuntene una piccula quantità di elementi Al è V. U cuntenutu di l'elementi Ti è Ni in a pusizione a hè basicamente u stessu, ùn ci hè micca un elementu B, è a suluzione solida NiTi pò esse. L'elementi principali in a pusizione b sò Ti è B, è u cuntenutu di i dui elementi supera u 40%. Pò esse inferitu chì a fase di l'agulla in a pusizione b hè TiB.

Sicondu a lege termodinamica di Gibbs, BB bond energy > B-Ti bond energy > Ti-Ti bond energy [12], chì rende a crescita di TiB in a so propria direzione di l'altezza più veloce è più veloce di a direzzione di crescita perpendiculare à a so propria altezza, chì face a fase di l'agulla faciule d'apparizione. U cuntenutu di l'elementu B in a pusizione c hè circa duie volte quellu di l'elementu Ti. U spettru XRD in a Figura 2 mostra chì l'intensità di u piccu di diffrazione di TiB2 hè relativamente alta. A fase ellittica nera in a pusizione c hè prubabilmente TiB2.

A microstruttura SEM di strati di cladding laser cù diverse proporzioni di polvere hè mostrata in a Figura 4. Si pò vede chì quandu u cuntenutu di l'aghjunzione di TiB2 hè chjuca, u cuntenutu di TiB in a capa di cladding diminuisce è a so distribuzione hè ancu più dispersa. Quandu u cuntenutu di l'aghjunzione di TiB2 aumenta, u cuntenutu di TiB aumenta, i particeddi metallografichi TiB diventanu più grossi, è a distribuzione hè dispersa. Stu fenominu hè causatu da l'aumentu di l'elementu B chì prumove a reazzione trà l'elementu B è Ti.

Per studià a microstruttura di u revestimentu, a microstruttura SEM di a cima, u mediu è u fondu di u revestimentu hè mostrata in a Figura 5.

L'evoluzione di a struttura di strati di cladding cù u gradiente di prufundità hè assai evidenti. Un gran numaru di particeddi di dui fasi sò sintetizzati in situ à a cima di u revestimentu, assai di quali sò finamente sfracicati, è ci sò un picculu numeru di strutture in forma di agulla è forma. À u listessu tempu, i particeddi di rinforzu duru TiB è TiB2 ponu impedisce a perdita di temperatura eccessiva in a cima di a piscina fusa. Dopu à u funnu è a distruzzione, i graneddi in a capa di cladding crescenu micca direzzione in una direzzione irregulare è re-nucleate. A dimensione di a nova fase dopu a nucleazione hè chjuca, chì rende e particelle di fasi raffinate [13]. A mità di u revestimentu pò esse affettatu da a cunvezione di u calore alternante da u cima à u fondu, è un gran numaru d'elementi sò cuncentrati in u mità, cusì EPMA ùn pò micca detect elementi di boru, è a cima di u revestimentu hè cumpostu di fasi in forma di petali neri. , fasi neri in forma d'agulla fina è fasi bianchi in spina di pesce.

Comu mostra in a Figura 6, i risultati di scanning pianu di a microstruttura mostranu chì ci hè una struttura eutettica ricca. A fase in forma di petali neri pò esse a fase eutectica TiB / TiB2 / TiNiB, a fase di spina di pesce biancu hè NiTi, è l'altri fasi sò derivati ​​​​di a trasfurmazioni di a fase martensitica di titaniu. A microstruttura BES à mezu à u 20% TiB2 laser cladding coating hè mostrata in Figura 7, cù fasi di culori diffirenti, vale à dì biancu brillanti, neru è grisgiu scuru. U luminosu hè u compostu intermetallicu NiTi, u neru hè a fase mista di titaniu-boru, è u grisgiu scuru hè a fase mista di titaniu martensiticu è ossidu di titaniu. A fase di l'aringa à u fondu di u revestimentu di rivestimentu laser aumenta gradualmente, l'area di a strata grisa scura cumencia à aumentà, è a fase in forma di petali neri è a fase nera in forma di agulla fina sò significativamente ridutte.

3.3 Microdurezza
Sicondu a prova di microdurezza, a durezza di a lega Ti6Al4V hè 349.2HV1.0. A distribuzione di microdurezza di strati di cladding laser preparatu cù diverse proporzioni di polveri longu à a prufundità hè mostrata in a Figura 8. Si pò vede chì a microdurezza di strati di cladding laser cù diverse proporzioni di polveri hè più altu ch'è quellu di l'alia Ti6Al4V. Cù l'aumentu di u rapportu di polvere TiB2, a microdurezza aumenta gradualmente. Quandu u rapportu di polvere TiB2 hè 40%, a più alta microdurezza di a strata di cladding righjunghji 920.8HV1.0, chì hè circa 3 volte quella di l'alia Ti6Al4V.

Cù l'aumentu di a prufundità di a strata di rivestimentu laser in un certu intervallu, a microdurezza di a strata mostra una tendenza di decadenza rapida, è a strata di sezione trasversale sopra a superficia di ligame di u sustrato è u revestimentu mostra un fenomenu di fluttuazione di a microdurezza. A capa transversale cù una prufundità di 0.7 à 0.8 mm hè in a zona affettata da u calore. A microdurezza di questa zona hè di circa 400HV1.0, è a tendenza ascendente di a microdurezza hè assai lenta. A microdurezza di a strata di sezione trasversale à una prufundità di 0.7 à 0.8 mm hè relativamente alta perchè i grani più duri di TiB2 in a capa di cladding laser anu una forte resistenza à l'impattu, è u prucessu di cladding laser pò prumove a furmazione di TiB fine è impedisce u granu. slip di dislocazione di cunfini, migliurà cusì a microdurezza di a strata di cladding laser preparata da u prucessu di cladding laser [14].

Sutta l'influenza di u flussu di a piscina fusa, a superficia TiB2 cumencia à sparghje, è ci sarà qualchì TiB2 residuale in u mità di a capa di cladding, ma a cuncintrazione ùn serà micca troppu alta, è a microstruttura [15] diminuisce ancu ligeramente. . U bordu di fondu di a capa di cladding hè a zona affettata da u calore. Una grande quantità di elementi Ti float up after melting, resulting in una grande dilution rate of the parent material to the funden pool, senza abbastanza fasi di rinfurzà, è a zona affettata da u calore hà a più bassa microdurezza [16]. I risultati mostranu chì l'aghjunzione di u polveru TiB2 mellora significativamente a durezza di a capa di cladding.

3.4 Resistenza à l'usura
U ritmu di usura di a strata di cladding laser cù u stessu rapportu di polvera varieghja cù a carica cum'è mostra in a Figura 9. I tassi di usura di Ti6Al4V è i strati di cladding laser aumentanu cù l'aumentu di a carica, è a rata di usura di i strati di cladding laser hè assai più bassu chè. quellu di i materiali sustrati Ti6Al4V, chì indicanu chì a resistenza à l'usura di i strati di cladding hè assai eccellente. A rata di usura di i strati di rivestimentu hè strettamente ligata à u cuntenutu di a fase dura. Quandu u rapportu di polvere TiB2 aumenta da 20% à 30%, u cuntenutu di a fase dura TiB aumenta è a rata di usura diminuisce; quandu u rapportu di polvere TiB2 aumenta da 30% à 40%, u cuntenutu di a fase dura di TiB aumenta ulteriormente, è TiB2 appare, risultatu in a rata minima di usura di solu 1.5 × 10-4 mm3 / s.

A morfologia di usura SEM di Ti6Al4V sottu carichi diffirenti hè mostrata in a Figura 10. Cumu pò esse vistu da a Figura 10a, l'alea di titaniu pruduce assai pocu detriti di usura sottu una carica di 20 N, è a zona di usura hè irregulare, curva è di diamante. forma (vede l'area A in a Figura 10a), chì indica chì u materiale di sustrato Ti6Al4V hè severamente dannatu durante u muvimentu reciprocante. Quandu a carica aumenta à 40N, a prufundità di u gully aumenta (vede l'area B in a Figura 10b), i particeddi abrasivi aumentanu rapidamente, è l'usura è a deviazione si verificanu durante u prucessu di usu di u sustrato, cusì l'usura abrasiva è l'usura adesiva sò assai gravi. Quandu a carica hè 60N, alcuni grossi pits sò generati nantu à a superficia di usura (vede l'area C in a Figura 10c), è e particelle abrasive s'accumulanu nantu à a superficia di scratch (vede l'area D in a Figura 10c). Dunque, a carica aumentata accelerà a sbucciatura di u materiale in lega di titaniu durante u prucessu di attritu è ​​di usura, è a prestazione di attritu è ​​di usura di a lega di titaniu hè assai povera. Li JN et al. [17] è Weng F. et al. [18] anu trovu ancu superfici di usura simili di aleaghji di titaniu.

A strata di rivestimentu Ni + 40% TiB2 hà a più alta microdurezza è a megliu resistenza à l'usura. Dunque, a strata di rivestimentu Ni + 40% TiB2 nantu à a superficia di l'alia di titaniu hè stata scelta per studià u mecanismu di usura di a strata di rivestimentu laser. U SEM wear morphology of the stratu di rivestimentu laser sottu differente carichi hè mostratu in a figura 11. U microhardness di u laser cladding layer hè significativamente migliuratu, cusì u funziunamentu di usu di u cladding layer hè assai megliu cà quellu di l'alia di titaniu. Comu pò esse vistu da a Figura 11a, u nùmeru di particeddi abrasivi hè stata ridutta assai è a dimensione hè diventata ancu assai più chjuca (vede l'area A in Figura 11a). Questu hè dovutu à l'usura di e fasi dure NiB, TiB2 è TiO2 [5]. Alcune strutture colapsate appariscenu in a strata di cladding usurata (vede l'area B in Figura 11b). A struttura hè prubabile di esse particelle di fase dura. I picculi chips di metalli sò strisciati per via di a so alta capacità portante, evitendu a furmazione di groove è graffi. Quandu a carica aumenta à 40 N, hè più prubabile di spelling lamellare, a polvera abrasiva di a strata di rivestimentu Ni + 40% TiB2 aumenta significativamente, i micropori appariscenu nantu à a superficia purtata (vede l'area C in Figura 11b), è l'usura abrasiva è l'usura abrasiva. l'usura di l'adesivu si faci à u stessu tempu. Quandu a carica aumenta più, a polvera abrasiva di u stratu di rivestimentu cumencia à sparghje à tutta a superficia purtata, è a prufundità è a larghezza di i micropori aumentanu (vede l'area D in Figura 11b). Questi fenomeni tutti indicanu chì cù l'aumentu di a carica, u spalling brittle diventa più seriu, è u revestimentu compostu ùn hè micca adattatu per e cundizioni di carica alta.

Cunclusione 4

Per migliurà a resistenza à l'usura di a lega Ti6Al4V, rivestimentu laser cladding hè stata preparata nantu à a superficia di l'alia di titaniu utilizendu Ni è TiB2 in polvere mixte. I risultati sò mostrati sottu.

(1) I risultati XRD di a strata di rivestimentu laser mostranu chì a strata di rivestimentu laser hè cumpostu principalmente di TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, soluzione solida in lega NiTi è TiO2, è cù l'aumentu di u rapportu di polvere di TiB2, a fase TiB2 u cuntenutu cresce in più.

(2) U stratu di rivestimentu hè principalmente cumpostu da una fase ellittica nera, una fase allungata simile à l'agulla è una fase cellulare circundante. A fase ellittica nera hè TiB2, a fase agulla hè TiB, è a fase cellulare circundante hè NiTi. Cù l'aumentu di l'aghjuntu di TiB2, u cuntenutu di TiB aumenta è e particelle metallografiche TiB diventanu più grossu.

(3) Quandu u rapportu di polvere TiB2 hè di 40%, a microdurezza di a capa di cladding righjunghji un massimu di 920. 8HV1. 0, chì hè circa 3 volte quella di l'alia Ti6Al4V. L'aumentu di a microdurezza migliurà a resistenza à l'usura di a strata di rivestimentu. Quandu a carica aumenta, u peeling brittle di u revestimentu cumpostu diventa più è più seriu, chì ùn hè micca adattatu per e cundizioni di carica alta.