Resumo: Para mellorar o rendemento da resistencia ao desgaste revestido con láser Revestimento composto de Ni + TiB2 preparado na superficie Ti6Al4V, estúdase a influencia da proporción de po na microestrutura e as propiedades mecánicas. O revestimento de revestimento láser está composto principalmente por TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, solución sólida de aliaxe de NiTi e TiO2. A capa de revestimento está composta principalmente por fase elíptica negra, fase en forma de agulla alongada e fase cristalina celular circundante. A fase elíptica negra, a fase tipo agulla e a fase cristalina celular circundante son TiB2, TiB, NiTi, respectivamente. Cando o contido da cantidade de aditivo de TiB2 aumenta, o contido de TiB aumenta, as partículas metalográficas de TiB vólvense grosas. A maior microdureza da capa de revestimento alcanza os 920. 8 HV1. 0, que é aproximadamente 3 veces a aliaxe Ti6Al4V, o aumento da microdureza mellora as propiedades de resistencia ao desgaste do revestimento do revestimento. O descascado fráxil faise máis grave co aumento da carga, e o revestimento composto non é adecuado para condicións de carga elevada.
Palabras chave: revestimento láser; revestimento composto de Ni + TiB2; Ti6Al4V; propiedade de resistencia ao desgaste

1. Introdución

As aliaxes de titanio teñen excelentes propiedades, como alta resistencia, baixa densidade e boa resistencia á corrosión, e úsanse a miúdo na industria aeroespacial, na enxeñaría mariña, na fabricación de automóbiles e noutros campos [1]. Non obstante, a baixa dureza e a escasa resistencia ao desgaste das aliaxes de titanio limitan a súa ampla aplicación. Na tecnoloxía de modificación de superficies, o revestimento con láser con alta densidade de enerxía, pequena zona afectada pola calor e forte unión metalúrxica sempre atraeu moita atención [2].

No revestimento láser de aliaxes de titanio introducíronse diferentes sistemas de materiais, entre os que o sistema de materiais compostos é un método máis popular e eficaz [3]. No sistema de material composto, a fase de reforzo TiB2 utilízase como unha forma factible de mellorar a dureza e a resistencia ao desgaste. Qi K. et al. [1] preparou un revestimento composto de TiB2/metal sobre aliaxe Ti6Al4V mediante revestimento láser de Fe, Co, Cr, B e C en po, e estudou o efecto do campo magnético nas propiedades mecánicas e de desgaste do revestimento. Lin YH et al. [4] utilizou po puro de TiB2 para preparar o revestimento de gradiente de TiB2/TiB sobre aliaxe de titanio. A microdureza mostrou unha tendencia de diminución do gradiente, pero a tenacidade á fractura mostrou unha tendencia de aumento do gradiente. Kumar S. et al. [5] estudou a mestura en po do revestimento de revestimento con láser de Ti6Al4V, CBN e TiO2, e atoparon diferentes estruturas como agulla, en forma de vara cilíndrica e en forma de dendrita de lonxitude curta. O material composto de matriz metálica (TiN, TiAlN, AlN e TiB2) de nitruro e boruro utilizouse como fase estrutural principal do revestimento para mellorar a dureza e a resistencia ao desgaste.

O níquel ou a aliaxe a base de níquel é unha matriz ideal cunha boa estabilidade estrutural, resistencia a altas temperaturas, resistencia á corrosión, alta resistencia e boa moxabilidade. O revestimento composto reforzado con partículas de revestimento con láser preparouse engadindo directamente axente de reforzo ou elementos relacionados ao po de aliaxe optimizado, e o revestimento de revestimento con láser con polo menos dúas fases con propiedades mecánicas diferentes converterase nunha importante demanda de reforzo da superficie no futuro [6]. Xu SY et al. [7] preparou un revestimento composto de TiC/Ni60 na superficie da aliaxe Ti6Al4V mediante revestimento láser. Yu XL et al. [2] preparados compostos de carburo de níquel-titanio sobre substrato de aceiro 20 mediante revestimento láser. A gran cantidade de partículas de TiC no composto Ni/40TiC dificultou o crecemento dos cristais de níquel, dando como resultado unha microestrutura máis fina do composto Ni/40TiC. A microdureza media do composto Ni/40TiC foi de aproximadamente 851HV e o coeficiente de fricción foi de 0.43. Wang Q. et al. [8] estudou a microestrutura e as propiedades dos revestimentos compostos con gradiente de Ni. Os revestimentos consistían en matriz de Ni, WC e varias fases duras de carburo e boruro. A microdureza máxima alcanzou 1053.5HV0.2, e os valores de coeficiente de fricción e perda de desgaste foron inferiores aos do aceiro Q345.

Co fin de estudar a microestrutura e a resistencia ao desgaste da aliaxe Ti6Al4V, seleccionáronse os po mixtos de Ni e TiB2 para preparar capas de revestimento con láser de aliaxe Ti6Al4V.

2 Materiais e métodos experimentais
2. 1 Materiais experimentais
Seleccionouse unha placa de aliaxe Ti100Al100V de 10 mm × 6 mm × 4 mm como substrato, e a súa composición química e propiedades mecánicas móstranse na táboa 1 e na táboa 2, respectivamente. Dado que o po de Ni pode mellorar a distribución da fonte de calor e concentrar a calor durante o revestimento con láser, seleccionouse o po de Ni e o po de TiB2 para preparar un revestimento composto con TiB2 como fase de reforzo. A morfoloxía metalográfica do po de Ni e do po de TiB2 móstrase na figura 1.

2. 2 Métodos experimentais
Para unir firmemente o po e a placa base, utilizouse un moenda mecánica para eliminar a capa de óxido superficial da placa de aliaxe de titanio e unha solución ácida ao 5% HF + 15% HNO3 para eliminar as manchas de aceite. Utilizouse un láser de fibra continua YSL-3000 para proporcionar láser continuo, e a placa Ti6Al4V con po preestablecido colocouse nunha caixa de plástico de 200 mm × 200 mm × 50 mm e inxectouse continuamente gas argón na caixa de plástico. Durante o proceso de revestimento con láser, o diámetro do punto é de 1.8 mm e a velocidade de dixitalización é de 7 mm/s. Cando a proporción de Ni + TiB2 é do 40%, os parámetros do po láser son 700W, 900W e 1100W respectivamente, e estúdase o efecto do po láser sobre a microestrutura e as propiedades mecánicas; cando a masa de po láser é de 900 W, as proporcións de po son Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 respectivamente, e estúdase o efecto da proporción de po sobre a masa de po láser. As mostras con capa de revestimento láser pódense marcar como S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

As mostras do difractómetro de raios X (XＲD), as mostras de microscopio electrónico de varrido (SEM) e as mostras de proba de rendemento preparáronse mediante corte de chispa eléctrica, e as mostras foron moídas mecánicamente, pulidas mecánicamente e corroídas por solución de ácido 5% HF + 15% HNO3. A composición de fase da capa de revestimento láser caracterizouse mediante un difractómetro de raios X de microárea avanzada Brooker D8 (XＲD), e a microestrutura da capa de revestimento láser observouse mediante microscopio óptico (OM) e microscopio electrónico de varrido (SEM). O comprobador de dureza HV-5 Vickers estudouse para medir a dureza ao longo da profundidade da superficie da capa de revestimento láser. Seleccionouse o probador de fricción e desgaste alternativo de alta velocidade HＲS-2M para probas de fricción e desgaste. O material auxiliar de fricción foi unha bola de moenda de cerámica Si3N2 cun diámetro de 4 mm. Os parámetros de fricción e desgaste foron unha velocidade de vaivén de 200r/min e unha carga radial de 20/40/60N.

3 Resultados e discusión
3.1 Composición da fase XRD
A composición da fase XRD das cinco mostras móstrase na Figura 2. Cada mostra contén unha pequena cantidade de TiN na súa composición química, que é a razón pola que os átomos de N penetran na capa de revestimento do láser para provocar a reacción de nitruración. Durante o fluxo da piscina fundida, unha pequena cantidade de vanadio disólvese no material da matriz de aliaxe de titanio e, neste proceso, a fase α transfórmase na fase β, polo que β-Ti aparece na Figura 2. TiB2 ten unha disolución-precipitación característica durante o proceso de revestimento láser. Unha pequena cantidade de TiB2 pódese disolver completamente, e parte de TiB2 pódese combinar con Ti para formar TiB, e o TiB2 restante pode recristalizarse. Ti pode reaccionar con Ni para formar NiTi, Ni3Ti e NiTi2, pero Ti e Ni teñen a mesma enerxía de enlace químico, o que facilita a formación dun composto inerte metálico de NiTi estable, e os átomos de Ti teñen unha forte velocidade de difusión, polo que Ti e Ni reaccionar para formar só NiTi［9］. Como se pode ver na figura 2, a capa de revestimento láser está composta principalmente por TiB, TiB2, α-Ti, solución sólida de aliaxe de NiTi, TiO2, etc., e os resultados da XRD tamén mostran unha pequena cantidade de β-Ti.

Segundo a enerxía libre media de Gibbs, pódense producir tres reaccións: ver (1), (2) e (3) na figura. Durante o proceso de revestimento con láser, os átomos de Ni e B poden reaccionar cos átomos de Ti para xerar TiB2, NiTi e TiB. A enerxía libre media de Gibbs ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, polo que a orde de formación do material é TiB > NiTi > TiB2.

Cando a proporción de TiB2 en po aumenta ata o 30%, a fórmula da reacción termoquímica (2) avanza cara á dereita. A fase TiB na capa de revestimento do láser aumenta e a fase Ti diminúe. Cando a proporción de po de TiB2 segue aumentando ata o 40%, o contido das fases TiB e TiB2 aumenta aínda máis. Ademais, Ni e Ti teñen unha forte afinidade e forman gradualmente a metalización de NiTi. Polo tanto, os principais produtos finais da capa de revestimento láser de Ni + 40% TiB2 son NiTi, TiO2, TiB, TiB2 e Ti.

3.2 Microestrutura
A estrutura SEM da capa de revestimento láser Ni + 20% TiB2 móstrase na figura 3. A capa de revestimento está composta principalmente por fase elíptica negra, fase de agulla alongada e fase celular circundante. O diámetro medio da fase de micropartículas máis distribuída é de 0.5 ~ 3.0 μm. Dado que o número atómico do elemento B é 5, o analizador de espectro de enerxía ordinario non pode medir con precisión o contido dos elementos cun número atómico inferior a 10. A microanálise de raios X con sonda electrónica (EPMA) úsase para medir a distribución e o contido de cada elemento no capa de revestimento [10, 11]. Os resultados da EPMA en diferentes posicións na Figura 3 móstranse na Táboa 3.

Na táboa 3 pódese ver que a composición química da capa de revestimento está composta principalmente por elementos Ti, B, Ni e contén unha pequena cantidade de elementos Al e V. O contido de elementos Ti e Ni na posición a é basicamente o mesmo, non hai elemento B e pode existir solución sólida de NiTi. Os principais elementos na posición b son Ti e B, e o contido de ambos elementos supera o 40%. Pódese deducir que a fase tipo agulla na posición b é TiB.

Segundo a lei termodinámica de Gibbs, enerxía de enlace BB > enerxía de enlace B-Ti > enerxía de enlace Ti-Ti [12], o que fai que a taxa de crecemento de TiB na súa propia dirección de altura sexa cada vez máis rápida que a dirección de crecemento perpendicular á súa propia altura, o que facilita a aparición da fase agulla. O contido do elemento B na posición c é aproximadamente o dobre que o do elemento Ti. O espectro XRD da Figura 2 mostra que a intensidade do pico de difracción de TiB2 é relativamente alta. É probable que a fase elíptica negra na posición c sexa TiB2.

A microestrutura SEM das capas de revestimento láser con diferentes proporcións de po móstrase na Figura 4. Pódese ver que cando o contido de adición de TiB2 é pequeno, o contido de TiB na capa de revestimento diminúe e a súa distribución tamén está máis dispersa. Cando o contido de adición de TiB2 aumenta, o contido de TiB aumenta, as partículas metalográficas de TiB fanse máis gruesas e a distribución dispersase. Este fenómeno é causado polo aumento do elemento B promovendo a reacción entre o elemento B e o elemento Ti.

Para estudar a microestrutura do revestimento, a microestrutura SEM da parte superior, media e inferior do revestimento móstrase na Figura 5.

A evolución da estrutura da capa de revestimento co gradiente de profundidade é moi obvia. Un gran número de partículas de dúas fases sintetizan in situ na parte superior do revestimento, moitas das cales son finamente trituradas, e hai un pequeno número de estruturas en forma de agulla e en forma. Ao mesmo tempo, as partículas duras de reforzo de TiB e TiB2 poden evitar a perda excesiva de temperatura na parte superior da piscina fundida. Despois da fusión e da destrución, os grans da capa de revestimento medran de forma non direccional nunha dirección irregular e renucleanse. O tamaño da nova fase despois da nucleación é pequeno, o que fai que as partículas de fase se refinen [13]. O medio do revestimento pode verse afectado pola convección de calor alterna de arriba a abaixo, e un gran número de elementos concéntranse no medio, polo que EPMA non pode detectar elementos de boro, e a parte superior do revestimento está composta por fases en forma de pétalos negros. , fases negras en forma de agulla fina e fases de espiña branca.

Como se mostra na Figura 6, os resultados da exploración en plano da microestrutura mostran que hai unha estrutura eutéctica rica. A fase en forma de pétalo negro pode ser a fase eutéctica TiB/TiB2/TiNiB, a fase de espiña branca é NiTi e as outras fases son derivadas da transformación da fase martensítica de titanio. A microestrutura BES no medio do revestimento de revestimento con láser TiB20 2% móstrase na Figura 7, con fases de diferentes cores, a saber, branco brillante, negro e gris escuro. O brillante é o composto intermetálico NiTi, o negro é a fase mixta de titanio-boro e o gris escuro é a fase mixta de titanio martensítico e óxido de titanio. A fase de espiña na parte inferior do revestimento de revestimento láser aumenta gradualmente, a área da capa gris escuro comeza a aumentar e a fase en forma de pétalo negro e a fase negra en forma de agulla fina redúcense significativamente.

3.3 Microdureza
Segundo a proba de microdureza, a dureza da aliaxe Ti6Al4V é 349.2HV1.0. A distribución de microdureza das capas de revestimento láser preparadas con diferentes proporcións de po ao longo da profundidade móstrase na Figura 8. Pódese ver que a microdureza das capas de revestimento láser con diferentes proporcións de po é maior que a da aliaxe Ti6Al4V. Co aumento da proporción de po de TiB2, a microdureza aumenta gradualmente. Cando a proporción de po de TiB2 é do 40%, a maior microdureza da capa de revestimento alcanza 920.8HV1.0, que é aproximadamente 3 veces a aliaxe Ti6Al4V.

Co aumento da profundidade da capa de revestimento láser dentro dun determinado intervalo, a microdureza da capa mostra unha tendencia de descenso rápido e a capa de sección transversal por riba da superficie de unión do substrato e do revestimento mostra un fenómeno de flutuación da microdureza. A capa de sección transversal cunha profundidade de 0.7 a 0.8 mm está na zona afectada pola calor. A microdureza desta área é duns 400HV1.0 e a tendencia á alza da microdureza é moi lenta. A microdureza da capa de sección transversal a unha profundidade de 0.7 a 0.8 mm é relativamente alta porque os grans de TiB2 máis duros da capa de revestimento con láser teñen unha forte resistencia ao impacto e o proceso de revestimento con láser pode promover a formación de TiB fino e evitar o gran. deslizamento de dislocación de límite, mellorando así a microdureza da capa de revestimento láser preparada polo proceso de revestimento láser [14].

Baixo a influencia do fluxo da piscina fundida, a superficie TiB2 comeza a difundirse e haberá algún residuo de TiB2 no medio da capa de revestimento, pero a concentración non será demasiado alta e a microestrutura [15] tamén diminuirá lixeiramente. . O bordo inferior da capa de revestimento é a zona afectada pola calor. Unha gran cantidade de elementos Ti flotan cara arriba despois da fusión, o que resulta nunha gran taxa de dilución do material nai para a piscina fundida, sen unha fase de reforzo suficiente, e a zona afectada pola calor ten a microdureza máis baixa [16]. Os resultados mostran que a adición de po de TiB2 mellora significativamente a dureza da capa de revestimento.

3.4 Resistencia ao desgaste
A taxa de desgaste da capa de revestimento láser coa mesma proporción de po varía coa carga, como se mostra na figura 9. As taxas de desgaste de Ti6Al4V e as capas de revestimento láser aumentan co aumento da carga, e a taxa de desgaste das capas de revestimento láser é moito menor que a dos materiais de substrato Ti6Al4V, o que indica que a resistencia ao desgaste das capas de revestimento é moi excelente. A taxa de desgaste das capas de revestimento está estreitamente relacionada co contido da fase dura. Cando a proporción de po de TiB2 aumenta do 20% ao 30%, o contido da fase dura de TiB aumenta e a taxa de desgaste diminúe; cando a proporción de po de TiB2 aumenta do 30% ao 40%, o contido da fase dura de TiB aumenta aínda máis e aparece TiB2, o que resulta na taxa de desgaste mínima de só 1.5 × 10-4 mm3/s.

A morfoloxía de desgaste SEM de Ti6Al4V baixo diferentes cargas móstrase na Figura 10. Como se pode ver na Figura 10a, a aliaxe de titanio produce moi poucos residuos de desgaste baixo unha carga de 20 N, e a zona de desgaste é irregular, curva e diamantada. con forma (ver área A na Figura 10a), o que indica que o material do substrato Ti6Al4V está gravemente danado durante o movemento alternativo. Cando a carga aumenta a 40 N, a profundidade do barranco aumenta (ver área B na Figura 10b), as partículas abrasivas aumentan rapidamente e o desgaste e a desviación ocorren durante o proceso de desgaste do substrato, polo que o desgaste abrasivo e adhesivo son moi graves. Cando a carga é de 60 N, xéranse grandes pozos na superficie de desgaste (ver área C na Figura 10c) e as partículas abrasivas acumúlanse na superficie de risco (ver área D na Figura 10c). Polo tanto, o aumento da carga acelerará a peladura do material de aliaxe de titanio durante o proceso de fricción e desgaste, e o rendemento de fricción e desgaste da aliaxe de titanio é moi pobre. Li JN et al. [17] e Weng F. et al. [18] tamén atoparon superficies de desgaste similares de aliaxes de titanio.

A capa de revestimento Ni + 40% TiB2 ten a maior microdureza e a mellor resistencia ao desgaste. Polo tanto, seleccionouse a capa de revestimento de Ni + 40% TiB2 na superficie da aliaxe de titanio para estudar o mecanismo de desgaste da capa de revestimento láser. A morfoloxía de desgaste SEM do capa de revestimento láser baixo diferentes cargas móstrase na Figura 11. A microdureza da capa de revestimento láser mellora significativamente, polo que o rendemento de desgaste da capa de revestimento é moito mellor que o da aliaxe de titanio. Como se pode ver na figura 11a, o número de partículas abrasivas reduciuse moito e o tamaño tamén se fixo moito menor (ver área A na figura 11a). Isto débese ao desgaste das fases duras de NiB, TiB2 e TiO2 [5]. Algunhas estruturas colapsadas aparecen na capa de revestimento desgastada (ver área B na Figura 11b). É probable que a estrutura sexan partículas de fase dura. As pequenas lascas metálicas están rayadas debido á súa gran capacidade de carga, evitando a formación de sucos e arañazos. Cando a carga aumenta a 40 N, é máis probable que se produza escasez laminar, o po abrasivo da capa de revestimento de Ni + 40% TiB2 aumenta significativamente, aparecen microporos na superficie desgastada (ver área C na figura 11b) e o desgaste abrasivo e O desgaste do adhesivo ocorre ao mesmo tempo. A medida que a carga aumenta aínda máis, o po abrasivo da capa de revestimento comeza a estenderse por toda a superficie desgastada e aumentan a profundidade e o ancho dos microporos (ver área D na figura 11b). Todos estes fenómenos indican que co aumento da carga, a escasez fráxil faise máis grave e o revestimento composto non é adecuado para condicións de alta carga.

4 Conclusión

Para mellorar a resistencia ao desgaste da aliaxe Ti6Al4V, revestimento de revestimento láser preparouse na superficie da aliaxe de titanio empregando po mesturado de Ni e TiB2. Os resultados móstranse a continuación.

(1) Os resultados XRD da capa de revestimento láser mostran que a capa de revestimento láser está composta principalmente por TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, solución sólida de aliaxe de NiTi e TiO2, e co aumento da proporción de po de TiB2, a fase TiB2 o contido aumenta aínda máis.

(2) A capa de revestimento está composta principalmente por fase elíptica negra, fase alongada tipo agulla e fase celular circundante. A fase elíptica negra é TiB2, a fase tipo agulla é TiB e a fase celular circundante é NiTi. Co aumento da adición de TiB2, o contido de TiB aumenta e as partículas metalográficas de TiB fanse máis grosas.

(3) Cando a proporción de po de TiB2 é do 40%, a microdureza da capa de revestimento alcanza un máximo de 920. 8HV1. 0, que é aproximadamente 3 veces a aliaxe Ti6Al4V. O aumento da microdureza mellora a resistencia ao desgaste da capa de revestimento. A medida que aumenta a carga, a descamación fráxil do revestimento composto faise cada vez máis grave, o que non é axeitado para condicións de alta carga.