به منظور بهبود سختی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش مواد آلیاژ آلومینیوم، یک ماده پوشش کامپوزیتی Ti/TiC بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم ZL101 با فرآیند روکش لیزری تهیه شد و عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش محتوای پودر TiC، سختی مواد افزایش می‌یابد و مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش افزایش می‌یابد. هنگامی که محتوای پودر TiC 0٪ باشد، مقاومت به خوردگی مواد پوشش با روکش لیزری پودر Ti به تنهایی در مقایسه با بستر آلیاژ آلومینیوم کاهش می یابد. مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC تهیه شده توسط روکش لیزری با 88% پودر Ti و 12% پودر TiC عملکرد جامع خوبی دارد و میکروسختی آن به 685 HV می رسد که حدود 7 برابر بیشتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است. چگالی جریان خوردگی الکتروشیمیایی 3.549e'-005A/cm'2 است که یک مرتبه قدر بالاتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است و مقاومت در برابر خوردگی خوب است. متوسط ​​ضریب اصطکاک تنها 0.238 است که 52.6٪ کمتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است و مقاومت در برابر سایش خوب است.

به منظور افزایش عملکرد کاربرد مواد آلیاژ آلومینیوم، فناوری های اصلاح سطح مانند روکش لیزری و اکسیداسیون میکرو قوس اغلب برای بهبود سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای آلومینیوم استفاده می شود. به عنوان مثال، روی سطح آلیاژ آلومینیوم 7075، یک پوشش کامپوزیت Al-Cr با فرآیند روکش لیزری مورد مطالعه قرار گرفت و عملکرد مواد پوشش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت [1]. پوشش کامپوزیتی مبتنی بر نیکل بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم با فرآیند مکانیکی گرافیت کروی تهیه شد و عملکرد پوشش مورد مطالعه قرار گرفت [2]. علاوه بر این، یک نانوپرکننده سریم وانادات (CeVO4) با سنتز هیدروترمال تهیه شد و سپس پرکننده در رزین اپوکسی پراکنده شد تا یک ماده پوشش برای اصلاح سطح آلیاژ آلومینیوم آماده شود [3]. بر این اساس، به منظور بهبود عملکرد جامع آلیاژ آلومینیوم ZL101، یک ماده پوشش کامپوزیت Ti/TiC بر روی سطح آن با فرآیند روکش لیزری تهیه شد و عملکرد مواد پوشش کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت.

1 بخش آزمایشی

1.1 مواد و تجهیزات

مواد اصلی: آلیاژ آلومینیوم ZL101 (صنعتی خالص، فولاد قالب Zhengren)؛ پودر TiC (صنعتی خالص، مواد فلزی Xunlai)؛ پودر Ti (B، C، N) (صنعتی خالص، مواد جدید Zheming)؛

تجهیزات اصلی: سختی سنج HVS-5ZD (Zhongte Precision Instrument)؛ لیزر LDF 4000-100 (Lecong Electromechanical); آسیاب گلوله ای سیاره ای YM-4A (ابزار Yuming); ایستگاه کاری الکتروشیمیایی CS350H (Zhenming Keji); تستر اصطکاک و سایش MRH-3G (فناوری تست Kece).

1.2 روش تجربی

1.2.1 پارامترهای فرآیند روکش لیزری

ماده بستر مورد استفاده در این آزمایش آلیاژ آلومینیوم ZL101 است. یک ماده پوشش کامپوزیت Ti/TiC بر روی بستر توسط روکش لیزری تهیه می شود. جدول 1 پارامترهای فرآیند روکش لیزری را نشان می دهد.

1.2.2 نسبت پودر روکش لیزری

این آزمایش عمدتاً محتوای پودر TiC مختلف را در این فرآیند آزمایش می کند. جدول 2 نسبت پودر روکش لیزری را نشان می دهد.

1.2.3 پیش تصفیه مواد خام

(1) با توجه به نسبت پودر Ti و پودر TiC در 1.2.2، از ترازوی الکترونیکی برای وزن کردن مقادیر مناسب پودر T و پودر TiC استفاده کنید و آنها را به آسیاب گلوله ای اضافه کنید. سرعت آسیاب گلوله ای را روی 200 میلی متر تنظیم کنید، پودر Ti و پودر TC را به مدت 1 ساعت مخلوط کنید، سپس مخلوط را خارج کرده و کنار بگذارید.

(2) در آزمایش روکش لیزری آلیاژ آلومینیوم، فیلم اکسید روی سطح بستر آلیاژ آلومینیوم باعث افزایش تعداد منافذ در لایه روکش شده و کاهش کیفیت روکش لیزری می شود. بنابراین، بستر آلیاژ آلومینیوم نیاز به عملیات قبلی دارد. ابتدا فیلم اکسید روی سطح زیرلایه آلیاژ آلومینیوم را با آسیاب مکانیکی جدا کنید. سپس آن را با اتانول بدون آب تمیز کنید. سپس بستر آلیاژ آلومینیوم را در فر خشک کن قرار داده و آن را خشک کنید تا رطوبتی روی سطح نباشد. بستر آلیاژ آلومینیوم را بیرون بیاورید و بلافاصله عملیات روکش لیزری را شروع کنید.

1.2.4 تست روکش لیزری

در فرآیند پوشش لیزری مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم ZL، روش تغذیه پودر کواکسیال اتخاذ شده است. مراحل مشخص به شرح زیر است:

(1) مخلوط پودر Ti و پودر TiC را که در بند 1.2.3 از قبل تیمار شده است در فیدر پودر قرار دهید و مواد زیرلایه آلیاژ آلومینیوم را با فیلم اکسید برداشته شده روی میز کار قرار دهید.

(2) تجهیزات را بررسی کنید و مطمئن شوید که ایمن است. سپس، تحت تنظیمات پارامتر فرآیند روکش لیزری در 1.2.1، پودر را تغذیه کرده و مخلوط پودر Ti و پودر TiC را به کانون پرتو لیزر برای گرمایش سریع لیزری و خنک‌سازی سریع ارسال کنید. توجه داشته باشید که در هنگام روکش لیزری، گاز آرگون باید به طور مداوم از کنار وارد شود.

(3) پس از روکش لیزری تکمیل شده است، تجهیزات را خاموش کنید. پس از اینکه مواد پوشش کامپوزیتی روکش لیزری Ti/TiC به طور طبیعی خنک شد، از یک دستگاه برش و یک دستگاه نصب گرم برای آماده سازی نمونه های مورد نیاز برای آزمایش عملکرد بعدی برای استفاده در حالت آماده به کار استفاده کنید.

1.3 تست عملکرد

1.3.1 آزمون سختی

قبل از آزمایش سختی، نمونه ابتدا به صورت متالوگرافی پردازش شد. سطح مقطع نمونه به نوبه خود با کاغذ سنباده درشت و ریز پرداخت شد. سپس مقدار کمی ماده صیقل دهنده به سطح مقطع نمونه زده شد و پرداخت شد. پس از آن، به مدت 10 ثانیه خورده شد و محلول خوردگی بلافاصله با الکل شسته شد و خشک شد. سختی لایه روکش سطح مقطع نمونه و ماتریس مواد آلیاژ آلومینیوم توسط دستگاه سختی سنج تست شد و ریزسختی آنالیز شد. در این میان، بار تست و زمان بارگذاری به ترتیب 200 گرم و 15 ثانیه بود.

1.3.2 مقاومت در برابر خوردگی

این آزمایش با استفاده از یک ایستگاه کاری الکتروشیمیایی و یک سیستم استاندارد سه الکترودی برای آزمایش مقاومت به خوردگی مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC که با لیزر بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم ذوب شده است، انجام شد. علاوه بر این، محلول واکنش الکتروشیمیایی یک محلول آبی 3.5٪ NaCl در دمای ثابت 25 درجه سانتیگراد بود. قبل از انجام آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی، ابتدا نمونه صیقل داده و تمیز شد و سطح نمونه چندین بار با چسب رزین اپوکسی پوشانده شد و ناحیه آزمایش 1mmx1mm باقی ماند. سپس آن را با سیم مسی پیچیده می کردند. پس از انجام تست خوردگی الکتروشیمیایی، داده های نمونه توسط نرم افزار Origin پردازش شد تا منحنی پلاریزاسیون به دست آید و داده های آزمون خوردگی الکتروشیمیایی نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.

1.3.3 مقاومت در برابر سایش

پوشش لیزری نمونه پوشش کامپوزیت Ti/TiC روی سطح آلیاژ آلومینیوم روی یک تستر اصطکاک و سایش به مدت 20 دقیقه تست مقاومت به سایش قرار گرفت. در میان آنها، بار آزمایش و فرکانس اصطکاک به ترتیب 5 نیوتن و 2 هرتز بود. توجه داشته باشید که جرم نمونه با ترازوی الکترونیکی قبل و بعد از آزمایش تلفات اصطکاک وزن شده و افت سایش نمونه و ضریب اصطکاک متوسط ​​آنالیز شده است.

2 نتایج و تجزیه و تحلیل

2.1 تجزیه و تحلیل سختی

تست سختی بر روی مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC با پوشش لیزری روی سطح آلیاژ آلومینیوم با محتوای پودر TiC مختلف انجام شد و نتایج خاص در شکل 1 نشان داده شده است.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، برای پوشش لیزری مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC روی سطح آلیاژ آلومینیوم با محتوای پودر TiC مختلف، ریزسختی اساساً در فاصله 0.0 تا 1.5 میلی متر از سطح پوشش، بدون تغییرات قابل توجه پایدار است. با این حال، زمانی که فاصله از سطح پوشش بیش از 1.5 میلی متر، میکروسختی هر نمونه به سرعت کاهش می یابد. هنگامی که فاصله از سطح پوشش 3.0 میلی متر باشد، ریزسختی هر نمونه اساساً حدود 130 HV است. همچنین از شکل 1 مشاهده می شود که مواد پوشش کامپوزیتی روکش لیزری Ti/TiC بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم تهیه شده در این آزمایش با محتوای پودر TiC مختلف دارای مقادیر ریزسختی بالایی هستند، به ویژه در 0.5 میلی متر نزدیک به سطح پوشش، مقدار ریزسختی. از هر ماده بزرگترین است.

تجزیه و تحلیل جامع نشان می دهد که وقتی فاصله 0.0 تا 1.5 میلی متر نزدیک به سطح پوشش باشد، مقدار میکروسختی با افزایش محتوای پودر TiC افزایش می یابد. هنگامی که کسر جرمی پودر TiC در مواد پوشش کامپوزیت 12٪ است، مقدار ریزسختی آن در 0.0 تا 1.5 میلی متر نزدیک به سطح پوشش حدود 685 HV است، که حدود 7 برابر مواد زمینه آلیاژ آلومینیوم ZL101 (102 HV) است. ) و حدود 2 برابر زمانی که محتوای پودر TiC 0٪ باشد. در مقایسه با مواد زیرلایه آلیاژ آلومینیوم ZL101، مقدار ریزسختی مواد پوشش کامپوزیت روکش لیزری Ti/TiC افزایش می‌یابد و مقدار ریزسختی آن با محتوای پودر TiC همبستگی مثبت دارد.

2.2 تجزیه و تحلیل مقاومت در برابر خوردگی

طبق روش آزمون در بند 1.3.2، آزمایش‌های خوردگی الکتروشیمیایی بر روی مواد پوشش کامپوزیتی Ti/TiC با محتوای پودر TiC مختلف و مواد زیرلایه آلیاژ آلومینیوم انجام شد. شکل 2 منحنی های پلاریزاسیون آزمون خوردگی الکتروشیمیایی هر نمونه ماده را نشان می دهد. جدول 3 داده های آزمون خوردگی الکتروشیمیایی هر نمونه به دست آمده با روش برون یابی منحنی تفال را نشان می دهد.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، زمانی که محتوای پودر TiC در پوشش لیزری پوشش کامپوزیت Ti/TiC 0% باشد، چگالی جریان خوردگی و پتانسیل خوردگی هر دو کمتر از مواد زیرلایه آلیاژ آلومینیوم است. در همان زمان، هنگامی که محتوای پودر TiC در مواد پوشش کامپوزیت افزایش می‌یابد، عملکرد خوردگی الکتروشیمیایی مواد پوشش کامپوزیت بهبود می‌یابد.

از جدول 3 می توان دریافت که وقتی محتوای پودر TiC در پوشش لیزری پوشش کامپوزیت Ti/TiC 0٪ باشد، پتانسیل خوردگی و چگالی جریان خوردگی مواد برابر 1.443-V و 7.018E'-0.05 A/cm است. '2، به ترتیب، که پایین تر از بستر آلیاژ آلومینیوم هستند. می توان مشاهده کرد که مقاومت به خوردگی مواد پوشش با پودر T روکش لیزری به تنهایی کمتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است. هنگامی که محتوای پودر TiC در پوشش کامپوزیت از 0٪ به 12٪ افزایش می یابد، پتانسیل خوردگی مواد به -1.296V می رسد که بالاتر از آلیاژ آلومینیوم ماده پایه است. علاوه بر این، در این زمان، چگالی جریان خوردگی مواد پوشش کامپوزیت به اندازه 3.549e-0.05 A/cm? است، که یک مرتبه بزرگتر از چگالی جریان خوردگی بستر آلیاژ آلومینیوم است. علاوه بر این، از نظر امپدانس پلاریزاسیون، امپدانس پلاریزاسیون هر ماده پوشش دهنده لایه روکش بسیار بالاتر از آلیاژ آلومینیوم ماده پایه است.

به طور خلاصه، روکش لیزری مواد پوشش کامپوزیتی پودر Ti/TiC بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم می تواند مقاومت در برابر خوردگی مواد را بهبود بخشد.

2.3 تجزیه و تحلیل مقاومت در برابر سایش

با توجه به روش آزمایش در بند 1.3.3، نتایج آزمون مقاومت به سایش مواد پوشش روکش با محتوای پودر تیتانیوم متفاوت و مواد بستر آلیاژ آلومینیوم در شکل 3 نشان داده شده است.

همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است، متوسط ​​ضریب اصطکاک زیرلایه آلیاژ آلومینیوم 0.452 است، در حالی که ضریب اصطکاک متوسط ​​هر ماده پوشش روکش لیزری کمتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است. در همان زمان، هنگامی که محتوای پودر TiC در مواد پوشش کامپوزیتی Ti/TiC به افزایش ادامه می‌دهد، میانگین ضریب اصطکاک ماده کاهش مداوم را نشان می‌دهد. این نشان می دهد که پس از روکش لیزری پودر T و پودر TiC، عملکرد اصطکاک مواد بهبود می یابد. هنگامی که کسر جرمی پودر TiC در پوشش لیزری مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC به 12٪ می رسد، متوسط ​​ضریب اصطکاک ماده تنها 0.238 است. در مقایسه با آلیاژ آلومینیوم مواد پایه، این مقدار 52.6٪ کاهش می یابد و مقاومت در برابر سایش مواد افزایش می یابد. علاوه بر این، همانطور که در شکل 3 (ب) نشان داده شده است، پس از 20 دقیقه آزمایش اصطکاک و سایش، میزان اصطکاک و سایش آلیاژ آلومینیوم ماده پایه بالاترین است که 9.1 میلی گرم است. اصطکاک و سایش مواد پوشش کامپوزیتی روکش لیزری Ti/TiC کمتر از آلیاژ آلومینیوم مواد پایه است و با افزایش محتوای پودر TO در مواد پوشش، اصطکاک و سایش کاهش می‌یابد. هنگامی که کسر جرمی پودر TiC در مواد پوشش کامپوزیت به 12٪ می رسد، اصطکاک و سایش ماده تنها 3.1 میلی گرم است که 65.9٪ کمتر از آلیاژ آلومینیوم ماده پایه است و این ماده مقاومت سایشی خوبی دارد.

به طور خلاصه، با افزایش محتوای پودر TiC، مقاومت در برابر سایش پوشش لیزری مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC بهبود می‌یابد.

نتیجه گیری 3

(1) با افزایش محتوای پودر TC در مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC، ریزسختی افزایش می یابد.

(2) مقاومت در برابر خوردگی مواد پوشش با روکش لیزری پودر T به تنهایی کمتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است. و هنگامی که محتوای پودر TiC در مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC افزایش می یابد، مقاومت در برابر خوردگی مواد افزایش می یابد.

(3) روکش لیزری مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC روی سطح آلیاژ آلومینیوم می تواند ضریب اصطکاک متوسط ​​ماده را کاهش دهد، اتلاف سایش را کاهش دهد و مقاومت در برابر سایش را افزایش دهد.

(4) در آزمایش، زمانی که کسر جرمی پودر TiC 12٪ است، مواد پوشش کامپوزیت Ti/TiC آماده شده عملکرد جامع خوبی دارد. ریزسختی آن به 685 HV می رسد که حدود 7 برابر زیرلایه آلیاژ آلومینیوم ZL101 (102 HV) است. در همان زمان، چگالی جریان خوردگی به 3.549e'-0.05 A/em'2 می رسد که یک مرتبه بزرگتر از زیرلایه آلیاژ آلومینیوم است. و میانگین ضریب اصطکاک تنها 0.238 است که 52.6٪ کمتر از بستر آلیاژ آلومینیوم است.