Abstrakt: Om de prestaasjes fan slijtagebestriding te ferbetterjen laser beklaaid Ni + TiB2 gearstalde coating taret op Ti6Al4V oerflak, de ynfloed fan poeder ratio op mikrostruktuer en meganyske eigenskippen wurdt bestudearre. De laser cladding coating is benammen gearstald út TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, NiTi alloy bêst oplossing en TiO2. De bekledingslaach is benammen gearstald út swarte elliptyske faze, langwerpige needle-like faze en omlizzende selkristalfaze. De swarte elliptyske faze, needle-like faze en omlizzende selkristalfaze binne TiB2, TiB, NiTi, respektivelik. As de ynhâld fan TiB2 tafoegings tanommen, de TiB ynhâld nimt ta, wurde de TiB metallografyske dieltsjes grof. De heechste microhardness fan de cladding laach berikt 920． 8 hv1. 0, wat sawat 3 kear is dat fan 'e Ti6Al4V-legering, de ferhege mikrohardheid ferbettert de wearbestindige eigenskippen fan' e bekledingscoating. De bros spalling wurdt serieuzer mei de lading tanimmend, en de gearstalde coating is net geskikt foar hege lading omstannichheden.
Keywords: laser cladding; Ni + TiB2 gearstalde coating; Ti6Al4V; wear ferset eigendom

1. Ynlieding

Titanium alloys hawwe treflike eigenskippen lykas hege sterkte, lege tichtheid en goede corrosie ferset, en wurde faak brûkt yn Aerospace, marine engineering, auto manufacturing en oare fjilden [1]. De lege hurdens en minne slijtbestriding fan titaniumlegeringen beheine lykwols har brede tapassing. Yn oerflak modifikaasje technology, laser cladding mei hege enerzjy tichtens, lytse waarmte-oandwaande sône en sterke metallurgical bonding hat altyd luts in soad omtinken [2].

Ferskillende materiaal systemen binne yntrodusearre yn de laser cladding fan titanium alloys, ûnder hokker gearstalde materiaal systeem is in populêrder en effektive metoade [3]. Yn it gearstalde materiaal systeem wurdt TiB2 fersterking faze brûkt as in mooglike manier te ferbetterjen hurdens en wear ferset. Qi K. et al. [1] taret TiB2 / metalen gearstalde coating op Ti6Al4V alloy troch laser cladding Fe, Co, Cr, B en C mingde poeders, en studearre it effekt fan magnetysk fjild op de meganyske eigenskippen en wear eigenskippen fan de coating. Lin YH et al. [4] brûkte suver TiB2 poeder te meitsjen TiB2 / TiB gradient coating op titanium alloy. De microhardness toande in gradient ôfnimming trend, mar de fraktuer taaiens toande in gradient ferheging trend. Kumar S. et al. [5] studearre it poeder mingsel fan Ti6Al4V, CBN en TiO2 laser cladding coating, en fûn ferskillende struktueren lykas needle-shaped, silindryske rod-foarmige en koarte-lingte dendrite-foarmige. It metalen matrix gearstalde materiaal (TiN, TiAlN, AlN en TiB2) fan nitride en boride waard brûkt as de wichtichste strukturele faze fan de coating te ferbetterjen de hurdens en wear ferset.

Nikkel of nikkel-basearre alloy is in ideale matrix mei goede strukturele stabiliteit, hege temperatuer ferset, corrosie ferset, hege sterkte en goede wettability. Laser cladding dieltsje fersterke gearstalde coating waard taret troch direkt taheakjen fersterkjende agint of besibbe eleminten oan de optimalisearre alloy poeder, en laser cladding coating mei op syn minst twa fazen mei ferskillende meganyske eigenskippen wurdt in wichtige fraach nei oerflak fersterking yn 'e takomst [6]. Xu SY et al. [7] taret TiC / Ni60 gearstalde coating op it oerflak fan Ti6Al4V alloy troch laser cladding. Yu XL et al. [2] taret nikkel-titanium carbid composites op 20 stielen substraat troch laser cladding. De grutte hoemannichte TiC-dieltsjes yn 'e Ni/40TiC-komposite hindere de groei fan nikkelkristallen, wat resultearre yn in fynere mikrostruktuer fan 'e Ni/40TiC-komposite. De gemiddelde mikrohardheid fan 'e Ni/40TiC-komposite wie sawat 851HV, en de wriuwingskoëffisjint wie 0.43. Wang Q. et al. [8] studearre de mikrostruktuer en eigenskippen fan Ni-basearre gradient gearstalde coatings. De coating bestie út Ni matrix, WC en meardere carbid en boride hurde fazen. De maksimale mikrohardheid berikte 1053.5HV0.2, en de wriuwingskoëffisjint en wearden fan wearferlies wiene leger as dy fan Q345 stiel.

Om de mikrostruktuer en slijtresistinsje fan Ti6Al4V-leger te studearjen, waarden Ni- en TiB2-mingde poeders selektearre om Ti6Al4V-legering-laserbekledinglagen te meitsjen.

2 Eksperimintele materialen en metoaden
2. 1 Eksperimintele materialen
In 100mm × 100mm × 10mm Ti6Al4V alloy plaat waard selektearre as it substraat, en syn gemyske gearstalling en meganyske eigenskippen wurde werjûn yn Tabel 1 en Tabel 2, respektivelik. Sûnt Ni poeder kin ferbetterje de waarmte boarne distribúsje en konsintrearje waarmte tidens laser cladding, Ni poeder en TiB2 poeder waarden selektearre foar it tarieden fan in gearstalde coating mei TiB2 as de fersterking faze. De metallografyske morfology fan Ni-poeder en TiB2-poeder wurdt werjûn yn figuer 1.

2. 2 Eksperimintele metoaden
Om it poeder en de basisplaat strak bûn te meitsjen, waard meganyske slypjen brûkt om de oerflakoksidelaach fan 'e titanium-legeringsplaat te ferwiderjen, en 5% HF + 15% HNO3-soere oplossing waard brûkt om oaljeflekken te ferwiderjen. In YSL-3000 trochgeande fiber laser waard brûkt om te foarsjen trochgeande laser, en de Ti6Al4V plaat mei foarôf ynsteld poeder waard pleatst yn in 200mm × 200mm × 50mm plestik doaze, en argongas waard kontinu ynjeksje yn de plestik doaze. Tidens de laser beklaaiïng proses, de spot diameter is 1.8 mm en de skennen snelheid is 7 mm / s. Wannear't de ferhâlding fan Ni + TiB2 40% is, binne de laserpoederparameters respektivelik 700W, 900W en 1100W, en it effekt fan laserpoeder op mikrostruktuer en meganyske eigenskippen wurdt studearre; as de laser poeder massa is 900W, de poeder ferhâldingen binne Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 respektivelik, en it effekt fan poeder ratio op laser poeder massa wurdt studearre. De samples mei laserbekledingslaach kinne wurde markearre as S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

De X-ray diffractometer (XＲD) eksimplaren, skennen elektroanen mikroskoop (SEM) eksimplaren en prestaasjes test eksimplaren waarden taret troch elektryske spark cutting, en de eksimplaren waarden meganysk grûn, meganysk gepolijst en corroded troch 5% HF + 15% HNO3 acid oplossing. De faze gearstalling fan de laser cladding laach waard karakterisearre troch Brooker D8-advance mikro-gebiet X-ray diffractometer (XＲD), en de mikrostruktuer fan de laser cladding laach waard waarnommen troch optyske mikroskoop (OM) en skennen elektroanen mikroskoop (SEM). De HV-5 Vickers hurdens tester waard studearre om te mjitten de hurdens lâns de oerflak djipte fan de laser cladding laach. De HＲS-2M hege-snelheid wrijving en wear tester waard selektearre foar wriuwing en wear tests. De wriuwing helptiidwurd materiaal wie Si3N2 keramische slypjen bal mei in diameter fan 4mm. De wriuwing en wear parameters wiene reciprocating snelheid fan 200r / min en radiale lading fan 20/40/60N.

3 Resultaten en diskusje
3.1 XRD faze gearstalling
De XRD-faze-komposysje fan 'e fiif samples wurdt werjûn yn' e figuer 2. Elke stekproef befettet in lyts bedrach fan TiN yn syn gemyske gearstalling, dat is de reden wêrom't N-atomen yn 'e laserbeklaaiing lizze om de nitridingreaksje te feroarsaakjen. Tidens de stream fan it smelte swimbad oplost in lyts bedrach fan vanadium yn it titanium alloy matrix materiaal, en yn dit proses feroaret de α-faze nei de β-faze, sadat β-Ti ferskynt yn figuer 2. TiB2 hat in ûntbining-ôfslach karakteristyk tidens de laser cladding proses. In lyts bedrach fan TiB2 kin folslein oplost wurde, en guon TiB2 kin kombinearje mei Ti om TiB te foarmjen, en de oerbleaune TiB2 kin rekristallisearje. Ti kin reagearje mei Ni om NiTi, Ni3Ti en NiTi2 te foarmjen, mar Ti en Ni hawwe deselde gemyske bân-enerzjy, wat it makliker makket om in stabile NiTi-metaal inerte ferbining te foarmjen, en Ti-atomen hawwe in sterke diffusionsrate, dus Ti en Ni reagearje om allinich NiTi［9］ te foarmjen. As kin sjoen wurde út figuer 2, de laser cladding laach is benammen gearstald út TiB, TiB2, α-Ti, NiTi alloy bêst oplossing, TiO2, ensfh, En de XRD resultaten ek litte in lyts bedrach fan β-Ti.

Neffens de gemiddelde Gibbs frije enerzjy kinne trije reaksjes foarkomme: sjoch (1), (2), en (3) yn 'e figuer. Tidens it laserbekledingsproses kinne Ni- en B-atomen reagearje mei Ti-atomen om TiB2, NiTi en TiB te generearjen. De gemiddelde Gibbs frije enerzjy ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, dus de folchoarder fan materiaal formaasje is TiB> NiTi> TiB2.

As it oanpart fan TiB2-poeder ferheget nei 30%, giet de thermochemyske reaksjeformule (2) nei rjochts. De TiB faze yn de laser cladding laach nimt ta en de Ti faze nimt ôf. As it oanpart fan TiB2-poeder bliuwt ta 40%, nimt de ynhâld fan TiB- en TiB2-fazen fierder ta. Dêrnjonken hawwe Ni en Ti in sterke affiniteit en foarmje stadichoan NiTi-metallisaasje. Dêrom, de lêste wichtichste produkten fan Ni + 40% TiB2 laser cladding laach NiTi, TiO2, TiB, TiB2 en Ti.

3.2 Mikrostruktuer
De SEM struktuer fan Ni + 20% TiB2 laser cladding laach wurdt werjûn yn figuer 3. De cladding laach is benammen gearstald út swarte elliptyske faze, langwerpige needle faze en omlizzende sellulêre faze. De gemiddelde diameter fan 'e meast ferspraat mikro-dieltsje faze is 0.5 ~ 3.0μm. Sûnt it atoomnûmer fan B-elemint is 5, kin gewoane enerzjyspektrumanalysator de ynhâld fan eleminten mei atoomnûmer minder as 10 net mjitte. bekledingslaach [10, 11]. De EPMA-resultaten op ferskate posysjes yn figuer 3 wurde werjûn yn tabel 3.

Ut Tabel 3 kin sjoen wurde dat de gemyske gearstalling fan de bekledingslaach benammen gearstald is út Ti, B, Ni-eleminten, en in lyts bedrach fan Al- en V-eleminten befettet. De ynhâld fan Ti en Ni eleminten op posysje a is yn prinsipe itselde, der is gjin B elemint, en NiTi fêste oplossing kin bestean. De wichtichste eleminten op posysje b binne Ti en B, en de ynhâld fan beide eleminten grutter 40%. It kin ôfmakke wurde dat de needle-like faze op posysje b TiB is.

Neffens Gibbs syn thermodynamyske wet, BB bond enerzjy> B-Ti bond enerzjy> Ti-Ti bond enerzjy [12], wat makket de groei taryf fan TiB yn syn eigen hichte rjochting flugger en flugger as de groei rjochting loodrecht op syn eigen hichte, wêrtroch't de needle-like faze maklik te ferskinen is. De ynhâld fan B-elemint op posysje c is sawat twa kear dy fan Ti-elemint. It XRD-spektrum yn figuer 2 lit sjen dat de yntinsiteit fan 'e diffraksje-peak fan TiB2 relatyf heech is. De swarte elliptyske faze op posysje c is wierskynlik TiB2.

De SEM mikrostruktuer fan laser cladding lagen mei ferskillende poeder ferhâldingen wurdt werjûn yn figuer 4. It kin sjoen wurde dat as de TiB2 tafoeging ynhâld is lyts, de TiB ynhâld yn 'e cladding laach fermindert en syn ferdieling is ek mear ferspraat. As de TiB2 tafoeging ynhâld nimt ta, de TiB ynhâld nimt ta, de TiB metallografyske dieltsjes wurde grober, en de ferdieling wurdt ferspraat. Dit ferskynsel wurdt feroarsake troch de ferheging fan B-elemint dy't de reaksje tusken B- en Ti-elemint befoarderet.

Om de mikrostruktuer fan 'e coating te studearjen, wurdt de SEM-mikrostruktuer fan' e boppekant, midden en ûnderkant fan 'e coating werjûn yn figuer 5.

De evolúsje fan de beklaaiïnglaachstruktuer mei de djiptegradient is tige dúdlik. In grut oantal twa-fase dieltsjes wurde synthesized yn situ oan de top fan 'e coating, in protte dêrfan binne fyn ferpletterd, en der binne in lyts oantal needle-shaped en shaped struktueren. Tagelyk, TiB en TiB2 hurde fersterking dieltsjes kinne foarkomme oermjittich temperatuer ferlies oan de top fan it raand swimbad. Nei it smelten en ferneatigjen groeie de kerrels yn 'e bekledingslaach net-rjochtings yn in ûnregelmjittige rjochting en kearne op 'e nij. De grutte fan de nije faze nei nucleation is lyts, dat makket de faze dieltsjes ferfine [13]. It midden fan 'e coating kin wurde beynfloede troch wikseljende waarmte convection fan boppe nei ûnderen, en in grut oantal eleminten wurde konsintrearre yn' e midden, sadat EPMA kin net detect borium eleminten, en de top fan 'e coating is gearstald út swarte petal-foarmige fazen , swarte fine needle-foarmige fazen en wite herringbone fazen.

Lykas werjûn yn figuer 6, de resultaten fan fleantúch skennen fan de mikrostruktuer litte sjen dat der in rike eutektyske struktuer. De swarte petalfoarmige faze kin de TiB / TiB2 / TiNiB eutektyske faze wêze, de wite herringbone-faze is NiTi, en de oare fazen binne derivaten fan 'e titanium martensityske fazetransformaasje. De BES mikrostruktuer yn 'e midden fan' e 20% TiB2 laser cladding coating wurdt werjûn yn figuer 7, mei fazen fan ferskillende kleuren, nammentlik helder wyt, swart en donkergriis. De heldere is de NiTi intermetallyske ferbining, de swarte is de titanium-borium mingde faze, en de donkere grize is de mingde faze fan martensityske titanium en titanium okside. De herringbone-faze oan 'e ûnderkant fan' e laserbekledingscoating nimt stadichoan ta, it gebiet fan 'e donkergrize laach begjint te fergrutsjen, en de swarte petalfoarmige faze en de swarte fynnaaldfoarmige faze wurde signifikant fermindere.

3.3 Microhardness
Neffens de microhardness test, de hurdens fan Ti6Al4V alloy is 349.2HV1.0. De microhardness ferdieling fan laser cladding lagen taret mei ferskillende poeder ferhâldingen lâns de djipte wurdt werjûn yn figuer 8. It kin sjoen wurde dat de microhardness fan laser cladding lagen mei ferskillende poeder ferhâldingen is heger as dy fan Ti6Al4V alloy. Mei de ferheging fan TiB2 poederferhâlding nimt de mikrohardheid stadichoan ta. As de TiB2-poederferhâlding 40% is, berikt de heechste mikrohardheid fan 'e beklaaiïng 920.8HV1.0, dat is sawat 3 kear dat fan Ti6Al4V-legering.

Mei de tanimming fan 'e djipte fan' e laser cladding laach binnen in bepaald berik, de microhardness fan 'e laach toant in flugge delgong trend, en de dwerstrochsneed laach boppe de bonding oerflak fan it substraat en de coating toant in fluktuaasje fenomeen fan microhardness. De trochsneedlaach mei in djipte fan 0.7 oant 0.8 mm is yn 'e waarmte troffen sône. De mikrohardheid fan dit gebiet is sawat 400HV1.0, en de opkommende trend fan mikrohardheid is heul stadich. De microhardness fan 'e dwerstrochsneed laach op in djipte fan 0.7 oant 0.8 mm is relatyf heech omdat de hurder TiB2 korrels yn de laser cladding laach hawwe in sterke ynfloed ferset, en de laser cladding proses kin befoarderje de foarming fan fyn TiB en foarkomme nôt grins dislocation slip, dêrmei it ferbetterjen fan de microhardness fan de laser cladding laach taret troch de laser cladding proses [14].

Under de ynfloed fan de smelte pool stream, begjint it oerflak TiB2 te diffuse, en der sil wat oerbleaune TiB2 yn 'e midden fan' e cladding laach, mar de konsintraasje sil net te heech, en de mikrostruktuer [15] sil ek ôfnimme bytsje . De ûnderste râne fan de beklaaiïng laach is de waarmte-oandwaande sône. In grutte hoemannichte Ti eleminten float omheech nei it smelten, resultearret yn in grutte verdunning taryf fan it memmetaal oan de smelte pool, sûnder genôch fersterkjen faze, en de waarmte-oandwaande sône hat de leechste microhardness [16]. De resultaten litte sjen dat de tafoeging fan TiB2-poeder de hurdens fan 'e klaailaach signifikant ferbettert.

3.4 Wear ferset
De wear taryf fan de laser cladding laach mei deselde poeder ferhâlding fariearret mei load lykas werjûn yn figuer 9. De wear tariven fan Ti6Al4V en laser cladding lagen tanimme mei de tanimming fan de lading, en de wear taryf fan laser cladding lagen is folle leger as dat fan Ti6Al4V substraat materialen, wat oanjout dat de wear ferset fan cladding lagen is hiel poerbêst. De slijtagesnelheid fan bekledingslagen is nau besibbe oan de hurde faze-ynhâld. As de TiB2-poederferhâlding fan 20% nei 30% ferheget, ferheget de TiB-hurde faze-ynhâld en de wearzefet nimt ôf; doe't de TiB2 poeder ratio ferheget fan 30% nei 40%, de TiB hurde faze ynhâld fierder ferheget, en TiB2 ferskynt, resultearret yn de minimale wear taryf fan allinnich 1.5 × 10-4 mm3 / s.

De SEM wear morfology fan Ti6Al4V ûnder ferskillende loads wurdt werjûn yn figuer 10. Lykas kin sjoen wurde út figuer 10a, de titanium alloy produsearret hiel bytsje wear pún ûnder in lading fan 20 N, en de wear sône is ûnregelmjittich, bûgd, en diamant- foarm (sjoch gebiet A yn figuer 10a), wat oanjout dat it Ti6Al4V substraatmateriaal is swier skansearre by wjersidige beweging. Wannear't de lading tanimt nei 40N, nimt de djipte fan 'e geul (sjoch gebiet B yn figuer 10b), de abrasive dieltsjes tanimme fluch, en wear en ôfwiking foarkomme tidens it substraat wear proses, sadat de abrasive wear en adhesive wear binne tige serieus. Wannear't de lading is 60N, wurde guon grutte pits oanmakke op de wear oerflak (sjoch gebiet C yn figuer 10c), en abrasive dieltsjes sammelje op it kras oerflak (sjoch gebiet D yn figuer 10c). Dêrom sil de ferhege lading de peeling fan it titaniumlegeringsmateriaal fersnelle tidens it wriuwing en wearproses, en de wriuwing en wearprestaasjes fan 'e titaniumlegering binne tige min. Li JN et al. [17] en Weng F. et al. [18] fûn ek ferlykbere wear oerflakken fan titanium alloys.

De Ni + 40% TiB2 bekledingslaach hat de heechste mikrohardheid en de bêste slijtweerstand. Dêrom, de Ni + 40% TiB2 cladding laach op de titanium alloy oerflak waard selektearre om te bestudearjen de wear meganisme fan de laser cladding laach. De SEM wear morfology fan de laser cladding laach ûnder ferskillende loads wurdt werjûn yn figuer 11. De microhardness fan de laser cladding laach wurdt gâns ferbettere, sadat de wear prestaasje fan de cladding laach is folle better as dy fan de titanium alloy. Lykas út figuer 11a te sjen is, is it oantal skuorjende dieltsjes gâns fermindere en is de grutte ek folle lytser wurden (sjoch gebiet A yn figuer 11a). Dit komt troch de wearze fan 'e hurde NiB, TiB2 en TiO2 hurde fazen [5]. Guon ynstoarte struktueren ferskine yn de droegen cladding laach (sjoch gebiet B yn figuer 11b). De struktuer is wierskynlik hurde faze dieltsjes. De lytse metalen chips binne gestreept fanwege har hege load-bearing kapasiteit, it foarkommen fan de foarming fan groeven en krassen. Wannear't de lading tanimt nei 40 N, is it wierskynliker dat lamellêre spalting plakfynt, it abrasive stof fan 'e Ni + 40% TiB2-bekledingslaach nimt signifikant ta, mikropoaren ferskine op it droegen oerflak (sjoch gebiet C yn figuer 11b), en abrasive wear en adhesive wear bart tagelyk. As de lading tanimt fierder, de abrasive stof fan de bekleding laach begjint te fersprieden nei de hiele droegen oerflak, en de djipte en breedte fan de micropores tanimme (sjoch gebiet D yn figuer 11b). Al dizze ferskynsels jouwe oan dat mei de tanimming fan de lading, bros spalling wurdt serieus, en de gearstalde coating is net geskikt foar hege load betingsten.

4-konklúzje

Om de slijtweerstand fan Ti6Al4V alloy te ferbetterjen, laser cladding coating waard taret op it oerflak fan titanium alloy mei help fan Ni en TiB2 mingd poeder. De resultaten wurde hjirûnder werjûn.

(1) XRD resultaten fan laser cladding laach litte sjen dat de laser cladding laach is benammen gearstald út TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, NiTi alloy bêst oplossing en TiO2, en mei de tanimming fan TiB2 poeder ratio, de TiB2 faze ynhâld nimt fierder ta.

(2) De cladding laach is benammen gearstald út swarte elliptyske faze, langwerpige needle-like faze en omlizzende sellulêre faze. De swarte elliptyske faze is TiB2, de needle-like faze is TiB, en de omlizzende sellulêre faze is NiTi. Mei de ferheging fan TiB2-tafoeging nimt de TiB-ynhâld ta en wurde de TiB-metallografyske dieltsjes grutter.

(3) As de TiB2 poeder ratio is 40%, berikt de microhardness fan de cladding laach in maksimum fan 920. 8HV1. 0, dat is sawat 3 kear dat fan Ti6Al4V alloy. De tanimming fan microhardness ferbettert de wear ferset fan de cladding laach. As de lading tanimt, wurdt de bros peeling fan 'e gearstalde coating hieltyd serieuzer, wat net geskikt is foar betingsten mei hege lading.