על מנת לשפר את הקשיות, העמידות בפני קורוזיה ועמידותם בפני שחיקה של חומרי סגסוגת אלומיניום, הוכן חומר ציפוי מרוכב Ti/TiC על פני השטח של סגסוגת אלומיניום ZL101 בתהליך חיפוי לייזר, וביצועיו נחקרו. התוצאות מראות שעם העלייה בתכולת אבקת TiC, קשיות החומר עולה, ועמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני שחיקה מוגברת. כאשר תכולת אבקת TiC היא 0%, עמידות הקורוזיה של חומר הציפוי עם חיפוי לייזר אבקת Ti בלבד יורדת בהשוואה למצע סגסוגת האלומיניום. לחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC שהוכן על ידי חיפוי לייזר עם 88% אבקת Ti ו-12% אבקת TiC יש ביצועים מקיפים טובים, וקשיחות המיקרו שלו מגיעה ל-685 HV, שהיא פי 7 בערך מזו של מצע סגסוגת האלומיניום. צפיפות זרם הקורוזיה האלקטרוכימית היא 3.549e'-005A/cm'2, שהוא בסדר גודל אחד גבוה מזה של מצע סגסוגת האלומיניום, ועמידות בפני קורוזיה טובה. מקדם החיכוך הממוצע הוא 0.238 בלבד, שהוא נמוך ב-52.6% מזה של מצע סגסוגת האלומיניום, ועמידות הבלאי טובה.

על מנת לשפר את ביצועי היישום של חומרי סגסוגת אלומיניום, טכנולוגיות שינוי פני השטח כגון חיפוי לייזר וחמצון מיקרו-קשת משמשות לעתים קרובות לשיפור הקשיות, עמידות הבלאי ועמידותן בפני קורוזיה של סגסוגות אלומיניום. לדוגמה, על פני השטח של סגסוגת אלומיניום 7075, ציפוי מרוכב Al-Cr נחקר בתהליך חיפוי לייזר, וביצועי חומר הציפוי נותחו [1]. ציפוי מרוכב על בסיס Ni הוכן על פני השטח של סגסוגת אלומיניום בתהליך גרפיט כדורי מכני, וביצועי הציפוי נחקרו [2]. בנוסף, הוכן ננו-מייל צריום ונדאט (CeVO4) על ידי סינתזה הידרותרמית, ולאחר מכן חומר המילוי פוזר בשרף אפוקסי כדי להכין חומר ציפוי לשינוי פני השטח של סגסוגת אלומיניום [3]. על בסיס זה, על מנת לשפר את הביצועים המקיפים של סגסוגת האלומיניום ZL101, הוכן חומר ציפוי מרוכב Ti/TiC על פני השטח שלו בתהליך חיפוי לייזר, ונבדקו הביצועים של חומר הציפוי המרוכב.

1 חלק ניסיוני

1.1 חומרים וציוד

חומרים עיקריים: סגסוגת אלומיניום ZL101 (טהורה תעשייתית, פלדת עובש Zhengren); אבקת TiC (טהורה תעשייתית, חומרי מתכת Xunlai); אבקת Ti (B, C, N) (טהורה תעשייתית, חומרים חדשים של Zheming);

ציוד עיקרי: בודק קשיות HVS-5ZD (מכשיר דיוק Zhongte); לייזר LDF 4000-100 (לקונג אלקטרומכני); YM-4A טחנת כדורים פלנטרית (Yuming Instrument); תחנת עבודה אלקטרוכימית CS350H (Zhenming Keji); בודק חיכוך ובלאי MRH-3G (טכנולוגיית בדיקות Kece).

1.2 שיטה נסיונית

1.2.1 פרמטרים של תהליך חיפוי לייזר

חומר המצע המשמש בניסוי הוא סגסוגת אלומיניום ZL101. חומר ציפוי מרוכב Ti/TiC מוכן על המצע על ידי חיפוי לייזר. טבלה 1 מציגה את הפרמטרים של תהליך חיפוי הלייזר.

1.2.2 יחס אבקת חיפוי לייזר

הבדיקה בודקת בעיקר תכולות שונות של אבקת TiC בתהליך. טבלה 2 מציגה את יחס אבקת חיפוי הלייזר.

1.2.3 טיפול מקדים בחומרי גלם

(1) לפי היחס בין אבקת Ti ואבקת TiC בסעיף 1.2.2, השתמש במאזן אלקטרוני כדי לשקול כמויות מתאימות של אבקת T ואבקת TiC ולהוסיף אותם לטחנת הכדורים. הגדר את המהירות של טחנת הכדורים ל-200 מ"מ, ערבב את אבקת ה-Ti ואבקת ה-TC למשך שעה אחת, ולאחר מכן הוצא את התערובת והניח בצד;

(2) בבדיקת חיפוי לייזר של סגסוגת אלומיניום, סרט התחמוצת על פני מצע סגסוגת האלומיניום יגדיל את מספר הנקבוביות בשכבת החיפוי ויקטין את איכות חיפוי הלייזר. לכן, מצע סגסוגת האלומיניום צריך לעבור טיפול מוקדם. ראשית, הסר את סרט התחמוצת על פני מצע סגסוגת האלומיניום על ידי שחיקה מכנית. לאחר מכן, נקה אותו עם אתנול נטול מים. לאחר מכן הכניסו את מצע סגסוגת האלומיניום לתנור ייבוש וייבשו אותו עד שאין לחות על פני השטח. הוצא את מצע סגסוגת האלומיניום והתחל מיד בטיפול חיפוי בלייזר.

1.2.4 בדיקת חיפוי בלייזר

בתהליך של חיפוי לייזר חומר ציפוי מרוכב Ti/TiC על פני השטח של סגסוגת אלומיניום ZL, מאומצת שיטת הזנת האבקה הקואקסיאלית. השלבים הספציפיים הם כדלקמן:

(1) טען את התערובת של אבקת Ti ואבקת TiC שטופלה מראש ב-1.2.3 לתוך מזין האבקה, והנח את חומר המצע של סגסוגת האלומיניום עם סרט התחמוצת שהוסר על שולחן העבודה;

(2) בדוק את הציוד ואשר שהוא בטוח. לאחר מכן, תחת הגדרות פרמטר תהליך חיפוי הלייזר ב-1.2.1, הזינו את האבקה ושלחו את התערובת של אבקת Ti ואבקת TiC למוקד קרן הלייזר לחימום מהיר בלייזר וקירור מהיר. שימו לב שבמהלך חיפוי לייזר, יש צורך להכניס גז ארגון באופן רציף מהצד;

(3) לאחר ה חיפוי לייזר הושלם, כבה את הציוד. לאחר שחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC מקורר באופן טבעי, השתמש במכונת חיתוך ובמכונת הרכבה חמה כדי להכין את הדגימות הנדרשות לבדיקות ביצועים עוקבות לשימוש בהמתנה.

1.3 מבחן ביצועים

1.3.1 בדיקת קשיות

לפני בדיקת הקשיות, המדגם עבר תחילה עיבוד מטאלוגרפי. חתך הרוחב של המדגם עבר מלוטש בנייר זכוכית גס ועדין בתורו. לאחר מכן הוחל כמות קטנה של חומר ליטוש על חתך הרוחב של המדגם והבריק. לאחר מכן, הוא נהרס במשך 10 שניות, ותמיסת הקורוזיה נשטפה מיד באלכוהול ופוצחה. קשיות שכבת החיפוי של חתך הרוחב של המדגם ומטריצת חומר סגסוגת האלומיניום נבדקה על ידי בודק קשיות, והמיקרו-קשיות נותחה. ביניהם, עומס הבדיקה וזמן הטעינה היו 200 גרם ו-15 שניות בהתאמה.

1.3.2 עמידות בפני קורוזיה

הבדיקה נערכה באמצעות תחנת עבודה אלקטרוכימית ומערכת סטנדרטית בעלת שלוש אלקטרודות לבדיקת עמידות בפני קורוזיה של חומר הציפוי המרוכב Ti/TiC שהומס בלייזר על פני סגסוגת האלומיניום. בנוסף, תמיסת התגובה האלקטרוכימית הייתה תמיסה מימית של 3.5% NaCl בטמפרטורה קבועה של 25 ℃. לפני בדיקת הקורוזיה האלקטרוכימית, הדוגמה עברה ליטוש וניקוי תחילה, ופני הדגימה צופים בדבק שרף אפוקסי מספר פעמים, ונותר שטח בדיקה של 1 מ"מ על 1 מ"מ. אחר כך הוא היה עטוף בחוט נחושת. לאחר בדיקת הקורוזיה האלקטרוכימית, נתוני המדגם עובדו על ידי תוכנת Origin כדי לקבל את עקומת הקיטוב ולנתח את נתוני בדיקת הקורוזיה האלקטרוכימית של המדגם.

1.3.3 עמידות בפני שחיקה

דגימת חומר הציפוי המרוכב Ti/TiC בחיפוי לייזר על משטח סגסוגת האלומיניום הונחה על בודק חיכוך ובלאי לבדיקת עמידות בפני שחיקה של 20 דקות. ביניהם, עומס הבדיקה ותדירות החיכוך היו 5 N ו-2 הרץ בהתאמה. שימו לב שמסת המדגם נשקללה במאזן אלקטרוני לפני ואחרי מבחן אובדן החיכוך, וניתחו אובדן הבלאי של המדגם ומקדם החיכוך הממוצע.

2 תוצאות וניתוח

2.1 ניתוח קשיות

בדיקת הקשיות בוצעה על חומר הציפוי המרוכב Ti/TiC המצופה בלייזר על משטח סגסוגת האלומיניום עם תכולת אבקת TiC שונה, והתוצאות הספציפיות מוצגות באיור 1.

כפי שמוצג באיור 1, עבור חומר הציפוי המרוכב Ti/TiC המצופה בלייזר על משטח סגסוגת האלומיניום עם תכולת אבקת TiC שונה, הקשיחות המיקרו יציבה בעצם במרחק של 0.0~1.5 מ"מ ממשטח הציפוי, ללא שינויים משמעותיים. עם זאת, כאשר המרחק ממשטח הציפוי עולה על 1.5 מ"מ, קשיות המיקרו של כל דגימה יורדת במהירות. כאשר המרחק ממשטח הציפוי הוא 3.0 מ"מ, המיקרו קשיות של כל דגימה היא בעצם סביב 130 HV. ניתן לראות גם מאיור 1 שלחומרי הציפוי המרוכבים Ti/TiC חיפוי הלייזר על משטח סגסוגת האלומיניום שהוכנו בניסוי זה עם תכולת אבקת TiC שונה יש ערכי מיקרו-קשיות גבוהים, במיוחד ב-0.5 מ"מ קרוב למשטח הציפוי, ערך המיקרו-קשיות מכל חומר הוא הגדול ביותר.

ניתוח מקיף מראה שכאשר המרחק הוא 0.0 ~ 1.5 מ"מ קרוב למשטח הציפוי, ערך המיקרו-קשיות עולה עם העלייה בתכולת אבקת TiC. כאשר חלק המסה של אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב הוא 12%, ערך המיקרו-קשיות שלו ב-0.0~1.5 מ"מ קרוב למשטח הציפוי הוא בערך 685 HV, שהם בערך פי 7 מזה של חומר מטריצת סגסוגת אלומיניום ZL101 (102 HV ) ופי 2 בערך כאשר תכולת אבקת TiC היא 0%. בהשוואה לחומר המצע של סגסוגת אלומיניום ZL101, ערך המיקרו-קשיות של חומר הציפוי המרוכב Ti/TiC חיפוי לייזר עולה, וערך המיקרו-קשיות שלו נמצא בקורלציה חיובית עם תכולת אבקת TiC.

2.2 ניתוח עמידות בפני קורוזיה

על פי שיטת הבדיקה ב-1.3.2, בוצעו בדיקות קורוזיה אלקטרוכימיות בחומרי ציפוי מרוכבים Ti/TiC בעלי תכולת אבקת TiC שונה וחומרי מצע מסגסוגת אלומיניום. איור 2 מציג את עקומות הקיטוב של בדיקת הקורוזיה האלקטרוכימית של כל דגימת חומר; טבלה 3 מציגה את נתוני בדיקת הקורוזיה האלקטרוכימית של כל דגימה שהתקבלה בשיטת אקסטרפולציה של עקומת Tafal.

כפי שמוצג באיור 2, כאשר תכולת אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC חיפוי לייזר היא 0%, צפיפות זרם הקורוזיה ופוטנציאל הקורוזיה שניהם נמוכים מאלה של חומר המצע של סגסוגת אלומיניום. במקביל, כאשר תכולת אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב עולה, ביצועי הקורוזיה האלקטרוכימית של חומר הציפוי המרוכבים משתפרים.

ניתן לראות מטבלה 3 שכאשר תכולת אבקת TiC בחומר ציפוי מרוכב Ti/TiC חיפוי לייזר היא 0%, פוטנציאל הקורוזיה וצפיפות זרם הקורוזיה של החומר הם -1.443V ו-7.018E'-0.05 A/cm '2, בהתאמה, הנמוכים ממצע סגסוגת האלומיניום. ניתן לראות שעמידות הקורוזיה של חומר הציפוי עם חיפוי לייזר T אבקת בלבד נמוכה מזו של מצע סגסוגת האלומיניום. כאשר תכולת אבקת TiC בציפוי המרוכב עולה מ-0% ל-12%, פוטנציאל הקורוזיה של החומר מגיע ל-1.296V, שהוא גבוה יותר מסגסוגת האלומיניום של חומר הבסיס. יתרה מכך, בשלב זה, צפיפות זרם הקורוזיה של חומר הציפוי המרוכב היא גבוהה כמו 3.549e-0.05 A/cm?, שהוא בסדר גודל אחד גבוה יותר מצפיפות זרם הקורוזיה של מצע סגסוגת האלומיניום. בנוסף, במונחים של עכבת קיטוב, עכבת הקיטוב של כל חומר ציפוי שכבת חיפוי גבוהה בהרבה מסגסוגת האלומיניום של חומר הבסיס.

לסיכום, חיפוי לייזר בציפוי אבקת Ti/TiC על פני השטח של סגסוגת אלומיניום יכול לשפר את עמידות החומר בפני קורוזיה.

2.3 ניתוח התנגדות ללבוש

לפי שיטת הבדיקה ב-1.3.3, תוצאות בדיקת עמידות הבלאי של חומרי ציפוי החיפוי עם תכולת אבקת Ti שונה וחומר המצע מסגסוגת האלומיניום מוצגות באיור 3.

כפי שמוצג באיור 3(א), מקדם החיכוך הממוצע של מצע סגסוגת האלומיניום הוא 0.452, בעוד שמקדם החיכוך הממוצע של כל חומר ציפוי חיפוי לייזר קטן מזה של מצע סגסוגת האלומיניום. יחד עם זאת, כאשר תכולת אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC ממשיכה לעלות, מקדם החיכוך הממוצע של החומר מראה ירידה מתמשכת. זה מראה שלאחר חיפוי לייזר של אבקת T ואבקת TiC, ביצועי החיכוך של החומר משתפרים. כאשר חלק המסה של אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC חיפוי לייזר מגיע ל-12%, מקדם החיכוך הממוצע של החומר הוא 0.238 בלבד. בהשוואה לחומר הבסיס סגסוגת האלומיניום, זה מופחת ב-52.6%, ועמידות הבלאי של החומר משופרת. בנוסף, כפי שמוצג באיור 3(ב), לאחר 20 דקות של בדיקת חיכוך ובלאי, כמות החיכוך והבלאי של סגסוגת האלומיניום הבסיסית היא הגבוהה ביותר, שהיא 9.1 מ"ג. החיכוך והבלאי של חומרי ציפוי מרוכבים של חיפוי לייזר Ti/TiC נמוכים מאלו של סגסוגת האלומיניום של חומר הבסיס, והחיכוך והבלאי יורדים עם העלייה בתכולת אבקת TO בחומר הציפוי. כאשר חלק המסה של אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב מגיע ל-12%, החיכוך והבלאי של החומר הם רק 3.1 מ"ג, שהם 65.9% פחות מזה של סגסוגת האלומיניום של חומר הבסיס, ולחומר יש עמידות בפני שחיקה טובה.

לסיכום, עם העלייה בתכולת אבקת TiC, עמידות הבלאי של חומרי ציפוי מרוכבים Ti/TiC בלייזר משתפרת.

סיכום 3

(1) עם העלייה בתכולת אבקת TC בחומרי ציפוי מרוכבים Ti/TiC, המיקרו קשיות עולה;

(2) העמידות בפני קורוזיה של חומר הציפוי עם חיפוי לייזר אבקת T בלבד נמוכה מזו של מצע סגסוגת האלומיניום. וכאשר תכולת אבקת TiC בחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC עולה, עמידות החומר בפני קורוזיה מוגברת;

(3) חיפוי לייזר Ti/TiC חומר ציפוי מרוכב על פני השטח של סגסוגת אלומיניום יכול להפחית את מקדם החיכוך הממוצע של החומר, להפחית את אובדן הבלאי ולשפר את עמידות הבלאי;

(4) בניסוי, כאשר חלק המסה של אבקת TiC הוא 12%, לחומר הציפוי המרוכב Ti/TiC המוכן יש ביצועים מקיפים טובים. המיקרו קשיות שלו מגיעה ל-685 HV, שהם בערך פי 7 מהמצע של סגסוגת אלומיניום ZL101 (102 HV). במקביל, צפיפות זרם הקורוזיה מגיעה ל-3.549e'-0.05 A/em'2, שהוא בסדר גודל אחד גבוה מזה של מצע סגסוגת אלומיניום. ומקדם החיכוך הממוצע הוא רק 0.238, שהוא נמוך ב-52.6% מזה של מצע סגסוגת אלומיניום.