Sažetak: Kako bi se poboljšala otpornost na trošenje obložen laserom Ni + TiB2 kompozitna prevlaka pripremljena na površini Ti6Al4V， proučava se utjecaj omjera praha na mikrostrukturu i mehanička svojstva． Prevlaka laserske obloge uglavnom se sastoji od čvrste otopine legure TiB，TiB2，α-Ti，β-Ti，NiTi i TiO2. Sloj omotača uglavnom se sastoji od crne eliptične faze， izdužene igličaste faze i okolne stanične kristalne faze， Crna eliptična faza, igličasta faza i kristalna faza okolne stanice su TiB2, TiB, NiTi, redom. Kada se sadržaj aditiva TiB2 poveća, sadržaj TiB se poveća, metalografske čestice TiB postaju grube. Najveća mikrotvrdoća sloja obloge doseže 920． 8 HV1． 0，što je oko 3 puta više od legure Ti6Al4V， povećana mikrotvrdoća poboljšava svojstva otpornosti na habanje obloge. Krhko pucanje postaje ozbiljnije s povećanjem opterećenja， a kompozitni premaz nije prikladan za uvjete visokog opterećenja，
Ključne riječi: lasersko oblaganje; Ni + TiB2 kompozitni premaz; Ti6Al4V; svojstvo otpornosti na habanje

1. Uvod

Legure titana imaju izvrsna svojstva kao što su visoka čvrstoća, niska gustoća i dobra otpornost na koroziju, te se često koriste u zrakoplovstvu, brodogradnji, proizvodnji automobila i drugim područjima [1]. Međutim, niska tvrdoća i slaba otpornost na habanje legura titana ograničava njihovu široku primjenu. U tehnologiji površinske modifikacije, lasersko oblaganje s visokom gustoćom energije, malom zonom utjecaja topline i jakim metalurškim vezama uvijek je privlačilo veliku pozornost [2].

U lasersko oblaganje legura titana uvedeni su različiti sustavi materijala, među kojima je sustav kompozitnih materijala popularniji i učinkovitiji [3]. U sustavu kompozitnih materijala, TiB2 faza ojačanja se koristi kao izvediv način za poboljšanje tvrdoće i otpornosti na trošenje. Qi K. i sur. [1] pripremili su kompozitnu prevlaku TiB2/metal na leguri Ti6Al4V laserskim navlačenjem Fe, Co, Cr, B i C miješanih prahova i proučavali učinak magnetskog polja na mehanička svojstva i svojstva trošenja prevlake. Lin YH i sur. [4] koristili su čisti TiB2 prah za pripremu TiB2/TiB gradijentnog premaza na leguri titana. Mikrotvrdoća je pokazala trend pada gradijenta, ali je žilavost loma pokazala trend povećanja gradijenta. Kumar S. i sur. [5] proučavali su praškastu mješavinu Ti6Al4V, CBN i TiO2 laserske obloge i pronašli različite strukture kao što su igličasti, cilindrični štapićasti i dendritni oblik kratke duljine. Kompozitni materijal metalne matrice (TiN, TiAlN, AlN i TiB2) nitrida i borida korišten je kao glavna strukturna faza prevlake za poboljšanje tvrdoće i otpornosti na trošenje.

Nikal ili legura na bazi nikla idealna je matrica s dobrom strukturnom stabilnošću, otpornošću na visoke temperature, otpornošću na koroziju, velikom čvrstoćom i dobrom moći vlaženja. Kompozitna prevlaka za lasersko oblaganje ojačana česticama pripremljena je izravnim dodavanjem sredstva za ojačavanje ili srodnih elemenata u optimizirani prah legure, a prevlaka za lasersko oblaganje s najmanje dvije faze s različitim mehaničkim svojstvima postat će važan zahtjev za površinsko ojačavanje u budućnosti [6]. Xu SY i sur. [7] pripremili su kompozitnu prevlaku TiC/Ni60 na površini legure Ti6Al4V laserskim oblaganjem. Yu XL i sur. [2] pripremili su kompozite nikal-titan karbid na 20 čeličnoj podlozi laserskim oblaganjem. Velika količina čestica TiC u kompozitu Ni/40TiC spriječila je rast kristala nikla, što je rezultiralo finijom mikrostrukturom kompozita Ni/40TiC. Prosječna mikrotvrdoća kompozita Ni/40TiC bila je oko 851HV, a koeficijent trenja 0.43. Wang Q. i sur. [8] proučavali su mikrostrukturu i svojstva gradijentnih kompozitnih prevlaka na bazi Ni. Prevlake su se sastojale od Ni matrice, WC i više tvrdih faza karbida i borida. Maksimalna mikrotvrdoća dosegla je 1053.5HV0.2, a vrijednosti koeficijenta trenja i gubitka trošenja bile su niže od onih kod čelika Q345.

Kako bi se proučila mikrostruktura i otpornost na trošenje legure Ti6Al4V, miješani prahovi Ni i TiB2 odabrani su za pripremu slojeva za lasersko oblaganje legure Ti6Al4V.

2 Eksperimentalni materijali i metode
2. 1 Eksperimentalni materijali
Ploča od legure Ti100Al100V dimenzija 10 mm × 6 mm × 4 mm odabrana je kao supstrat, a njen kemijski sastav i mehanička svojstva prikazani su u tablici 1, odnosno tablici 2. Budući da prah Ni može poboljšati distribuciju izvora topline i koncentrirati toplinu tijekom laserskog oblaganja, prah Ni i prah TiB2 odabrani su za pripremu kompozitne prevlake s TiB2 kao fazom pojačanja. Metalografska morfologija praha Ni i praha TiB2 prikazana je na slici 1.

2. 2 Eksperimentalne metode
Kako bi prah i osnovna ploča bili čvrsto spojeni, korišteno je mehaničko mljevenje za uklanjanje površinskog oksidnog sloja ploče od legure titana, a 5% HF + 15% otopina HNO3 kiseline korištena je za uklanjanje mrlja od ulja. Laser s kontinuiranim vlaknima YSL-3000 korišten je za dobivanje kontinuiranog lasera, a Ti6Al4V ploča s unaprijed postavljenim prahom stavljena je u plastičnu kutiju dimenzija 200 mm × 200 mm × 50 mm, a plin argon kontinuirano je ubrizgavan u plastičnu kutiju. Tijekom procesa laserskog oblaganja, promjer točke je 1.8 mm, a brzina skeniranja 7 mm/s. Kada je omjer Ni + TiB2 40%, parametri laserskog praha su 700W, 900W odnosno 1100W, a proučava se učinak laserskog praha na mikrostrukturu i mehanička svojstva; kada je masa laserskog praha 900 W, omjeri praha su Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2, te se proučava učinak omjera praha na masu laserskog praha. Uzorci s laserskim obloženim slojem mogu se označiti kao S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

Uzorci s rendgenskog difraktometra (XＲD), uzorci s skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) i uzorci za ispitivanje performansi pripremljeni su električnim rezanjem iskrom, a uzorci su mehanički brušeni, mehanički polirani i korodirani otopinom 5% HF + 15% HNO3 kiseline. Fazni sastav laserskog omotača karakteriziran je Brooker D8-advance mikropovršinskim rendgenskim difraktometrom (XＲD), a mikrostruktura laserskog omotača promatrana je optičkim mikroskopom (OM) i skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM). HV-5 Vickers mjerač tvrdoće proučavan je za mjerenje tvrdoće duž dubine površine sloja laserske obloge. HＲS-2M visokobrzinski klipni uređaj za ispitivanje trenja i trošenja odabran je za ispitivanje trenja i trošenja. Frikcijski pomoćni materijal bila je Si3N2 keramička kugla za mljevenje promjera 4 mm. Parametri trenja i trošenja bili su recipročna brzina od 200 o/min i radijalno opterećenje od 20/40/60 N.

3 Rezultati i rasprava
3.1 XRD fazni sastav
XRD fazni sastav pet uzoraka prikazan je na slici 2. Svaki uzorak sadrži malu količinu TiN u svom kemijskom sastavu, što je razlog zašto atomi N prodiru u sloj omotača lasera i uzrokuju reakciju nitriranja. Tijekom protoka rastaljenog bazena, mala količina vanadija se otapa u matričnom materijalu legure titana, i u tom procesu, α faza prelazi u β fazu, tako da se β-Ti pojavljuje na slici 2. TiB2 ima otapanje-taloženje karakteristika tijekom procesa laserskog oblaganja. Mala količina TiB2 može se potpuno otopiti, a nešto TiB2 može se spojiti s Ti u TiB, a preostali TiB2 može rekristalizirati. Ti može reagirati s Ni u obliku NiTi, Ni3Ti i NiTi2, ali Ti i Ni imaju istu energiju kemijske veze, što olakšava stvaranje stabilnog metalnog inertnog spoja NiTi, a atomi Ti imaju veliku stopu difuzije, pa Ti i Ni reagiraju stvarajući samo NiTi［9］. Kao što se može vidjeti na slici 2, sloj laserske obloge uglavnom se sastoji od TiB, TiB2, α-Ti, čvrste otopine legure NiTi, TiO2 itd., a rezultati XRD također pokazuju malu količinu β-Ti.

Prema prosječnoj Gibbsovoj slobodnoj energiji mogu se dogoditi tri reakcije: vidi (1), (2) i (3) na slici. Tijekom procesa laserskog oblaganja, atomi Ni i B mogu reagirati s atomima Ti i stvoriti TiB2, NiTi i TiB. Prosječna Gibbsova slobodna energija ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, pa je redoslijed stvaranja materijala TiB > NiTi > TiB2.

Kada se udio praha TiB2 poveća na 30%, formula termokemijske reakcije (2) nastavlja se udesno. TiB faza u laserskom omotaču se povećava, a Ti faza smanjuje. Kada udio TiB2 praha nastavi rasti do 40%, sadržaj TiB i TiB2 faza se dodatno povećava. Osim toga, Ni i Ti imaju jak afinitet i postupno stvaraju NiTi metalizaciju. Stoga su konačni glavni proizvodi sloja za oblaganje lasera Ni + 40% TiB2 NiTi, TiO2, TiB, TiB2 i Ti.

3.2 Mikrostruktura
SEM struktura Ni + 20% TiB2 laserskog obložnog sloja prikazana je na slici 3. Obložni sloj uglavnom se sastoji od crne eliptične faze, izdužene igličaste faze i okolne stanične faze. Prosječni promjer najrasprostranjenije faze mikročestica je 0.5 ~ 3.0 μm. Budući da je atomski broj elementa B 5, obični analizator energetskog spektra ne može točno izmjeriti sadržaj elemenata s atomskim brojem manjim od 10. Mikroanaliza X-zrakama elektronskom sondom (EPMA) koristi se za mjerenje distribucije i sadržaja svakog elementa u sloj obloge [10, 11]. Rezultati EPMA na različitim pozicijama na slici 3 prikazani su u tablici 3.

Iz tablice 3. vidljivo je da se kemijski sastav sloja obloge uglavnom sastoji od Ti, B, Ni elemenata, a sadrži malu količinu Al i V elemenata. Sadržaj Ti i Ni elemenata na poziciji a je u osnovi isti, nema B elementa, a kruta otopina NiTi može postojati. Glavni elementi na poziciji b su Ti i B, a sadržaj oba elementa prelazi 40%. Može se zaključiti da je igličasta faza na poziciji b TiB.

Prema Gibbsovom termodinamičkom zakonu, energija veze BB > energija veze B-Ti > energija veze Ti-Ti [12], što čini stopu rasta TiB u vlastitom smjeru visine bržom i bržom od smjera rasta okomitog na vlastitu visinu, zbog čega se igličasta faza lako pojavljuje. Sadržaj elementa B na položaju c je otprilike dvostruko veći od sadržaja elementa Ti. XRD spektar na slici 2 pokazuje da je intenzitet difrakcijskog vrha TiB2 relativno visok. Crna eliptična faza na položaju c vjerojatno je TiB2.

SEM mikrostruktura laserskih obloženih slojeva s različitim omjerima praha prikazana je na slici 4. Može se vidjeti da kada je sadržaj dodatka TiB2 mali, sadržaj TiB u obložnom sloju opada i njegova je distribucija također disperznija. Kada se sadržaj dodatka TiB2 povećava, sadržaj TiB se povećava, metalografske čestice TiB postaju grublje, a distribucija je dispergirana. Ovaj fenomen je uzrokovan povećanjem B elementa koji potiče reakciju između B i Ti elementa.

Kako bi se proučila mikrostruktura premaza, SEM mikrostruktura gornjeg, srednjeg i donjeg dijela premaza prikazana je na slici 5.

Evolucija strukture sloja obloge s gradijentom dubine vrlo je očita. Velik broj dvofaznih čestica sintetiziran je in situ na vrhu prevlake, od kojih su mnoge fino usitnjene, a mali je broj igličastih i oblikovanih struktura. U isto vrijeme, čestice tvrdog ojačanja TiB i TiB2 mogu spriječiti prekomjerni gubitak temperature na vrhu rastaljene posude. Nakon taljenja i razaranja, zrna u sloju omotača rastu nesmjerno u nepravilnom smjeru i ponovno stvaraju jezgru. Veličina nove faze nakon nukleacije je mala, što čini čestice faze pročišćenima [13]. Sredina prevlake može biti pod utjecajem izmjenične konvekcije topline od vrha do dna, a veliki broj elemenata koncentriran je u sredini, tako da EPMA ne može detektirati elemente bora, a vrh prevlake se sastoji od crnih faza u obliku latica , crne fine faze u obliku igle i bijele faze riblje kosti.

Kao što je prikazano na slici 6, rezultati ravninskog skeniranja mikrostrukture pokazuju da postoji bogata eutektička struktura. Faza u obliku crne latice može biti TiB/TiB2/TiNiB eutektička faza, bijela faza riblje kosti je NiTi, a ostale faze su derivati ​​transformacije martenzitne faze titana. Mikrostruktura BES u sredini 20% TiB2 laserske prevlake prikazana je na slici 7, s fazama različitih boja, naime svijetlobijele, crne i tamnosive. Svijetla je intermetalni spoj NiTi, crna je miješana faza titan-bor, a tamno siva je miješana faza martenzitnog titana i titanovog oksida. Faza riblje kosti na dnu premaza laserske obloge postupno se povećava, površina tamno sivog sloja počinje se povećavati, a faza u obliku crne latice i faza u obliku crne fine igle značajno se smanjuju.

3.3 Mikrotvrdoća
Prema ispitivanju mikrotvrdoće, tvrdoća legure Ti6Al4V je 349.2HV1.0. Distribucija mikrotvrdoće slojeva laserskog oblaganja pripremljenih s različitim omjerima praha po dubini prikazana je na slici 8. Može se vidjeti da je mikrotvrdoća slojeva laserskog oblaganja s različitim omjerima praha viša od mikrotvrdoće legure Ti6Al4V. S povećanjem udjela praha TiB2 postupno se povećava mikrotvrdoća. Kada je omjer praha TiB2 40%, najveća mikrotvrdoća sloja obloge doseže 920.8HV1.0, što je oko 3 puta više od legure Ti6Al4V.

S povećanjem dubine sloja laserske obloge unutar određenog raspona, mikrotvrdoća sloja pokazuje trend brzog pada, a sloj poprečnog presjeka iznad površine spajanja podloge i premaza pokazuje fenomen fluktuacije mikrotvrdoće. U zoni utjecaja topline nalazi se presječni sloj dubine od 0.7 do 0.8 mm. Mikrotvrdoća ovog područja je oko 400HV1.0, a uzlazni trend mikrotvrdoće je vrlo spor. Mikrotvrdoća sloja poprečnog presjeka na dubini od 0.7 do 0.8 mm relativno je visoka jer tvrđa zrna TiB2 u sloju laserske obloge imaju jaku otpornost na udarce, a proces laserske obloge može pospješiti stvaranje finog TiB-a i spriječiti zrnatost granično dislokacijsko klizanje, čime se poboljšava mikrotvrdoća sloja laserskog oblaganja pripremljenog postupkom laserskog oblaganja [14].

Pod utjecajem toka rastaljenog bazena, površinski TiB2 počinje difundirati, a bit će nešto zaostalog TiB2 u sredini sloja obloge, ali koncentracija neće biti previsoka, a mikrostruktura [15] također će se malo smanjiti . Donji rub sloja obloge je zona utjecaja topline. Velika količina Ti elemenata ispliva nakon taljenja, što rezultira velikom stopom razrjeđivanja matičnog materijala u bazen rastaline, bez dovoljno faze ojačanja, a zona pod utjecajem topline ima najnižu mikrotvrdoću [16]. Rezultati pokazuju da dodatak praha TiB2 značajno poboljšava tvrdoću sloja obloge.

3.4 Otpornost na habanje
Stopa trošenja sloja laserske obloge s istim omjerom praha varira s opterećenjem kao što je prikazano na slici 9. Stopa trošenja Ti6Al4V i slojeva laserske obloge povećava se s povećanjem opterećenja, a stopa trošenja slojeva laserske obloge mnogo je niža od od Ti6Al4V materijala supstrata, što ukazuje da je otpornost na habanje slojeva obloge vrlo izvrsna. Brzina trošenja slojeva obloge usko je povezana s udjelom tvrde faze. Kada se omjer praha TiB2 poveća s 20% na 30%, sadržaj tvrde faze TiB se povećava i stopa trošenja se smanjuje; kada se omjer praha TiB2 poveća s 30% na 40%, sadržaj tvrde faze TiB dodatno se povećava i pojavljuje se TiB2, što rezultira minimalnom stopom trošenja od samo 1.5 × 10-4 mm3/s.

SEM morfologija trošenja Ti6Al4V pod različitim opterećenjima prikazana je na slici 10. Kao što se može vidjeti na slici 10a, legura titana proizvodi vrlo malo ostataka trošenja pod opterećenjem od 20 N, a zona trošenja je nepravilna, zakrivljena i dijamantno- oblika (vidi područje A na slici 10a), što ukazuje da je materijal supstrata Ti6Al4V ozbiljno oštećen tijekom recipročnog gibanja. Kada se opterećenje poveća na 40N, dubina udubljenja se povećava (vidi područje B na slici 10b), abrazivne čestice se brzo povećavaju, a tijekom procesa trošenja podloge dolazi do trošenja i odstupanja, tako da su abrazivno trošenje i habanje ljepila vrlo ozbiljni. Kada je opterećenje 60 N, na površini za trošenje nastaju neke velike rupe (vidi područje C na slici 10c), a abrazivne čestice se nakupljaju na površini za ogrebotine (vidi područje D na slici 10c). Stoga će povećano opterećenje ubrzati ljuštenje materijala legure titana tijekom procesa trenja i trošenja, a učinak trenja i trošenja legure titana je vrlo loš. Li JN i sur. [17] i Weng F. et al. [18] također su pronašli slične površine trošenja titanovih legura.

Sloj obloge Ni + 40% TiB2 ima najveću mikrotvrdoću i najbolju otpornost na trošenje. Stoga je sloj obloge Ni + 40% TiB2 na površini legure titana odabran za proučavanje mehanizma trošenja sloja obloge lasera. Morfologija trošenja SEM-a sloj laserske obloge pod različitim opterećenjima prikazano je na slici 11. Mikrotvrdoća laserskog obloženog sloja značajno je poboljšana, tako da je učinak trošenja obložnog sloja mnogo bolji nego kod legure titana. Kao što se može vidjeti na slici 11a, broj abrazivnih čestica je znatno smanjen, a veličina je također postala mnogo manja (vidi područje A na slici 11a). To je zbog trošenja tvrdih tvrdih faza NiB, TiB2 i TiO2 [5]. Neke srušene strukture pojavljuju se u istrošenom sloju obloge (vidi područje B na slici 11b). Struktura će vjerojatno biti čestice tvrde faze. Sićušni metalni komadići su prugasti zbog svoje velike nosivosti, čime se izbjegava stvaranje utora i ogrebotina. Kada se opterećenje poveća na 40 N, vjerojatnije je da će doći do pucanja lamela, abrazivna prašina sloja obloge Ni + 40% TiB2 značajno se povećava, mikropore se pojavljuju na istrošenoj površini (vidi područje C na slici 11b), a abrazivno trošenje i istovremeno dolazi do trošenja ljepila. Kako se opterećenje dalje povećava, abrazivna prašina sloj obloge počinje se širiti na cijelu izlizanu površinu, a dubina i širina mikropora se povećavaju (vidi područje D na slici 11b). Svi ovi fenomeni ukazuju na to da s povećanjem opterećenja krhko pucanje postaje ozbiljnije, a kompozitni premaz nije prikladan za uvjete visokog opterećenja.

4 Zaključak

Kako bi se poboljšala otpornost na habanje legure Ti6Al4V, laserski premaz za oblaganje pripremljen je na površini legure titana upotrebom praha mješavine Ni i TiB2. Rezultati su prikazani u nastavku.

(1) XRD rezultati laserskog obloženog sloja pokazuju da se laserski obloženi sloj uglavnom sastoji od TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, čvrste otopine legure NiTi i TiO2, a s povećanjem omjera praha TiB2, faza TiB2 sadržaj se dodatno povećava.

(2) Sloj obloge uglavnom se sastoji od crne eliptične faze, izdužene igličaste faze i okolne stanične faze. Crna eliptična faza je TiB2, igličasta faza je TiB, a okolna stanična faza je NiTi. S povećanjem dodatka TiB2, sadržaj TiB raste i metalografske čestice TiB postaju grublje.

(3) Kada je omjer praha TiB2 40%, mikrotvrdoća sloja obloge doseže najviše 920. 8HV1. 0, što je oko 3 puta više od legure Ti6Al4V. Povećanje mikrotvrdoće poboljšava otpornost na trošenje sloja obloge. Kako se opterećenje povećava, krhko ljuštenje kompozitne prevlake postaje sve ozbiljnije, što nije prikladno za uvjete visokog opterećenja.