Anotacija: Siekiant pagerinti atsparumą dilimui padengtas lazeriu Ant Ti2Al6V paviršiaus paruošta Ni + TiB4 kompozitinė danga, tiriama miltelių santykio įtaka mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms. Lazerinė danga daugiausia sudaryta iš TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, NiTi lydinio kieto tirpalo ir TiO2. Dengimo sluoksnis daugiausia sudarytas iš juodos elipsės fazės, pailgos adatos fazės ir aplinkinių ląstelių kristalų fazės. Juodoji elipsinė fazė, į adatą panaši fazė ir aplinkinių ląstelių kristalų fazė yra atitinkamai TiB2, TiB, NiTi. Kai padidėja TiB2 priedo kiekis, padidėja TiB kiekis, TiB metalografinės dalelės tampa stambios. Didžiausias dengimo sluoksnio mikrokietumas siekia 920. 8 HV1. 0, o tai yra maždaug 3 kartus daugiau nei Ti6Al4V lydinio, padidėjęs mikrokietumas pagerina dangos atsparumo dilimui savybes. Didėjant apkrovai, trapus skilimas tampa rimtesnis, o kompozicinė danga netinka didelės apkrovos sąlygomis.
Raktažodžiai: lazerinis dengimas; Ni + TiB2 kompozitinė danga; Ti6Al4V; atsparumo dilimui savybė

1. Įvadas

Titano lydiniai pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip didelis stiprumas, mažas tankis ir geras atsparumas korozijai, todėl dažnai naudojami aviacijos, jūrų inžinerijos, automobilių gamybos ir kitose srityse [1]. Tačiau mažas titano lydinių kietumas ir mažas atsparumas dilimui riboja jų platų pritaikymą. Paviršiaus modifikavimo technologijoje didelio energijos tankio, mažos šilumos paveiktos zonos ir tvirto metalurginio sujungimo lazerinis apvalkalas visada sulaukdavo daug dėmesio [2].

Į titano lydinių dengimą lazeriu buvo įdiegtos įvairios medžiagų sistemos, tarp kurių populiaresnis ir efektyvesnis būdas yra kompozicinių medžiagų sistema [3]. Kompozitinių medžiagų sistemoje TiB2 armavimo fazė naudojama kaip įmanomas būdas pagerinti kietumą ir atsparumą dilimui. Qi K. ir kt. [1] paruošė TiB2/metalo kompozitinę dangą ant Ti6Al4V lydinio, padengiant Fe, Co, Cr, B ir C mišrius miltelius, ir ištyrė magnetinio lauko poveikį dangos mechaninėms savybėms ir dilimo savybėms. Lin YH ir kt. [4] naudojo grynus TiB2 miltelius TiB2/TiB gradientinei dangai ant titano lydinio paruošti. Mikrokietumas parodė gradiento mažėjimo tendenciją, tačiau atsparumas lūžiams parodė gradiento didėjimo tendenciją. Kumar S. ir kt. [5] ištyrė Ti6Al4V, CBN ir TiO2 lazerinės dangos miltelių mišinį ir rado skirtingas struktūras, tokias kaip adatos formos, cilindrinės lazdelės formos ir trumpo ilgio dendrito formos. Metalo matricos kompozitinė medžiaga (TiN, TiAlN, AlN ir TiB2) iš nitrido ir borido buvo naudojama kaip pagrindinė dangos konstrukcinė fazė, siekiant pagerinti kietumą ir atsparumą dilimui.

Nikelis arba nikelio lydinys yra ideali matrica, pasižyminti geru struktūriniu stabilumu, atsparumu aukštai temperatūrai, atsparumu korozijai, dideliu stiprumu ir geru drėkinamumu. Lazerinė dengimo dalelėmis armuota kompozitinė danga buvo paruošta į optimizuoto lydinio miltelius tiesiogiai pridedant armuojančios medžiagos ar susijusių elementų, o lazerinė dengimo danga su mažiausiai dviem fazėmis, turinčiomis skirtingas mechanines savybes, ateityje taps svarbia paviršiaus stiprinimo paklausa [6]. Xu SY ir kt. [7] paruošta TiC/Ni60 kompozicinė danga ant Ti6Al4V lydinio paviršiaus padengiant lazeriu. Yu XL ir kt. [2] paruošti nikelio-titano karbido kompozitai ant 20 plieninio pagrindo padengiant lazeriu. Didelis TiC dalelių kiekis Ni/40TiC kompozite trukdė augti nikelio kristalams, todėl Ni/40TiC kompozito mikrostruktūra buvo smulkesnė. Vidutinis Ni/40TiC kompozito mikrokietumas buvo apie 851HV, o trinties koeficientas – 0.43. Wang Q. ir kt. [8] tyrė gradientinių kompozitinių dangų Ni pagrindu mikrostruktūrą ir savybes. Dangas sudarė Ni matrica, WC ir kelios kietosios karbido ir borido fazės. Maksimalus mikrokietumas pasiekė 1053.5HV0.2, o trinties koeficientas ir nusidėvėjimo nuostolių vertės buvo mažesnės nei Q345 plieno.

Siekiant ištirti Ti6Al4V lydinio mikrostruktūrą ir atsparumą dilimui, Ti2Al6V lydinio lazeriniams dengimo sluoksniams paruošti buvo parinkti Ni ir TiB4 mišrūs milteliai.

2 Eksperimentinės medžiagos ir metodai
2. 1 Eksperimentinė medžiaga
Kaip substratas buvo pasirinkta 100 mm × 100 mm × 10 mm Ti6Al4V lydinio plokštė, o jos cheminė sudėtis ir mechaninės savybės parodytos atitinkamai 1 ir 2 lentelėse. Kadangi Ni milteliai gali pagerinti šilumos šaltinio pasiskirstymą ir koncentruoti šilumą dengiant lazeriu, Ni milteliai ir TiB2 milteliai buvo pasirinkti norint paruošti kompozicinę dangą su TiB2 kaip armavimo faze. Ni miltelių ir TiB2 miltelių metalografinė morfologija parodyta 1 paveiksle.

2. 2 Eksperimentiniai metodai
Kad milteliai ir pagrindo plokštė būtų tvirtai sujungti, titano lydinio plokštės paviršinis oksido sluoksnis pašalintas mechaniniu šlifavimu, o aliejaus dėmėms šalinti 5% HF + 15% HNO3 rūgšties tirpalu. Nepertraukiamam lazeriui tiekti buvo naudojamas YSL-3000 nepertraukiamas pluošto lazeris, o Ti6Al4V plokštė su iš anksto nustatytais milteliais buvo įdėta į 200 mm × 200 mm × 50 mm plastikinę dėžę, o argono dujos buvo nuolat įpurškiamos į plastikinę dėžę. Lazerinio dengimo proceso metu taško skersmuo yra 1.8 mm, o skenavimo greitis - 7 mm/s. Kai Ni + TiB2 santykis yra 40%, lazerio miltelių parametrai yra atitinkamai 700W, 900W ir 1100W, tiriama lazerio miltelių įtaka mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms; kai lazerio miltelių masė yra 900W, miltelių santykiai yra atitinkamai Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2, tiriama miltelių santykio įtaka lazerio miltelių masei. Mėginiai su lazeriniu dengimo sluoksniu gali būti pažymėti kaip S-1 (P = 700 W), S-2 (P = 900 W), S-3 (P = 1100 W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40 % TiB2).

Rentgeno spindulių difraktometro (XＲD) bandiniai, skenuojamojo elektroninio mikroskopo (SEM) bandiniai ir veikimo tikrinimo bandiniai buvo paruošti elektriniu kibirkštiniu pjovimu, o bandiniai mechaniškai šlifuoti, mechaniškai poliruoti ir korozuoti 5% HF + 15% HNO3 rūgšties tirpalu. Lazerinio dengimo sluoksnio fazinė sudėtis buvo apibūdinta Brooker D8-advance mikrozono rentgeno difraktometru (XＲD), o lazerinio apvalkalo sluoksnio mikrostruktūra buvo stebima optiniu mikroskopu (OM) ir skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM). Buvo tiriamas HV-5 Vickers kietumo matuoklis, skirtas matuoti kietumą palei lazerinio apvalkalo sluoksnio paviršiaus gylį. Trinties ir nusidėvėjimo bandymams buvo pasirinktas HＲS-2M didelės spartos stūmoklio trinties ir nusidėvėjimo testeris. Trinties pagalbinė medžiaga buvo Si3N2 keraminis šlifavimo rutulys, kurio skersmuo 4 mm. Trinties ir nusidėvėjimo parametrai buvo 200 r/min. grįžtamojo judėjimo greitis ir 20/40/60 N radialinė apkrova.

3 Rezultatai ir diskusija
3.1 XRD fazės sudėtis
Penkių mėginių XRD fazės sudėtis parodyta 2 paveiksle. Kiekvieno mėginio cheminėje sudėtyje yra nedidelis TiN kiekis, todėl N atomai prasiskverbia į lazerio apvalkalo sluoksnį ir sukelia nitridavimo reakciją. Išlydyto baseino tekėjimo metu nedidelis kiekis vanadžio ištirpsta titano lydinio matricos medžiagoje ir šiame procese α fazė virsta β faze, todėl 2 paveiksle atsiranda β-Ti. TiB2 turi tirpimą-nusodinimą būdingas dengimo lazeriu proceso metu. Nedidelis TiB2 kiekis gali būti visiškai ištirpęs, dalis TiB2 gali susijungti su Ti ir sudaryti TiB, o likęs TiB2 gali persikristalizuoti. Ti gali reaguoti su Ni, sudarydami NiTi, Ni3Ti ir NiTi2, tačiau Ti ir Ni turi vienodą cheminio ryšio energiją, todėl lengviau suformuoti stabilų NiTi metalo junginį, o Ti atomai pasižymi dideliu difuzijos greičiu, todėl Ti ir Ni reaguoja, kad susidarytų tik NiTi［9］. Kaip matyti iš 2 paveikslo, lazerio apvalkalo sluoksnis daugiausia sudarytas iš TiB, TiB2, α-Ti, NiTi lydinio kieto tirpalo, TiO2 ir kt., O XRD rezultatai taip pat rodo nedidelį β-Ti kiekį.

Pagal vidutinę Gibso laisvąją energiją gali įvykti trys reakcijos: žr. (1), (2) ir (3) paveiksle. Lazerinio dengimo proceso metu Ni ir B atomai gali reaguoti su Ti atomais, kad susidarytų TiB2, NiTi ir TiB. Vidutinė Gibso laisvoji energija ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, todėl medžiagos susidarymo tvarka yra TiB > NiTi > TiB2.

Kai TiB2 miltelių dalis padidėja iki 30%, termocheminės reakcijos formulė (2) juda į dešinę. TiB fazė lazerinio apvalkalo sluoksnyje didėja, o Ti fazė mažėja. Kai TiB2 miltelių dalis ir toliau didėja iki 40%, TiB ir TiB2 fazių kiekis toliau didėja. Be to, Ni ir Ti turi stiprų giminingumą ir palaipsniui sudaro NiTi metalizaciją. Todėl galutiniai pagrindiniai Ni + 40% TiB2 lazerinio dengimo sluoksnio produktai yra NiTi, TiO2, TiB, TiB2 ir Ti.

3.2 Mikrostruktūra
Ni + 20% TiB2 lazerinio dengimo sluoksnio SEM struktūra parodyta 3 paveiksle. Dengimo sluoksnis daugiausia sudarytas iš juodos elipsės fazės, pailgos adatos fazės ir aplinkinių ląstelių fazės. Vidutinis labiausiai paskirstytų mikrodalelių fazės skersmuo yra 0.5 ~ 3.0 μm. Kadangi B elemento atominis skaičius yra 5, įprastas energijos spektro analizatorius negali tiksliai išmatuoti elementų, kurių atominis skaičius mažesnis nei 10, turinio. Elektroninio zondo rentgeno mikroanalizė (EPMA) naudojama kiekvieno elemento pasiskirstymui ir turiniui išmatuoti. dengiamasis sluoksnis [10, 11]. EPMA rezultatai skirtingose ​​3 paveikslo vietose parodyti 3 lentelėje.

Iš 3 lentelės matyti, kad apvalkalo sluoksnio cheminę sudėtį daugiausia sudaro Ti, B, Ni elementai ir yra nedidelis kiekis Al ir V elementų. Ti ir Ni elementų kiekis a padėtyje iš esmės yra vienodas, B elemento nėra ir gali būti NiTi kieto tirpalo. Pagrindiniai elementai b padėtyje yra Ti ir B, o abiejų elementų kiekis viršija 40%. Galima daryti išvadą, kad adatos tipo fazė b padėtyje yra TiB.

Pagal Gibbso termodinaminį dėsnį, BB jungties energija > B-Ti jungties energija > Ti-Ti ryšio energija [12], dėl kurios TiB augimo greitis jo paties aukščio kryptimi yra greitesnis ir greitesnis nei augimo kryptis, statmena jo paties aukščiui, todėl lengvai atsiranda adatos fazė. B elemento kiekis c padėtyje yra maždaug du kartus didesnis nei Ti elemento. XRD spektras 2 paveiksle rodo, kad TiB2 difrakcijos smailės intensyvumas yra gana didelis. Tikėtina, kad juodoji elipsinė fazė c padėtyje yra TiB2.

Lazerinio dengimo sluoksnių su skirtingu miltelių santykiu SEM mikrostruktūra parodyta 4 pav. Matyti, kad kai TiB2 pridėjimo kiekis yra mažas, TiB kiekis dengiamajame sluoksnyje mažėja, o jo pasiskirstymas taip pat yra labiau išsklaidytas. Padidėjus TiB2 kiekiui, didėja TiB kiekis, TiB metalografinės dalelės tampa stambesnės ir pasiskirstymas yra išsklaidytas. Šį reiškinį sukelia B elemento padidėjimas, skatinantis reakciją tarp B ir Ti elemento.

Norint ištirti dangos mikrostruktūrą, dangos viršaus, vidurio ir apačios SEM mikrostruktūra parodyta 5 pav.

Dengimo sluoksnio struktūros raida su gylio gradientu yra labai akivaizdi. Daugybė dvifazių dalelių sintetinama in situ dangos viršuje, daugelis jų yra smulkiai susmulkintos, yra nedaug adatos formos ir formos struktūrų. Tuo pačiu metu TiB ir TiB2 kietos armatūros dalelės gali užkirsti kelią per dideliam temperatūros praradimui išlydyto baseino viršuje. Išlydę ir suardę grūdeliai dengiamajame sluoksnyje auga nekryptiškai netaisyklinga kryptimi ir vėl branduoliuojasi. Naujos fazės dydis po branduolio susidarymo yra mažas, todėl fazės dalelės yra rafinuotos [13]. Dangos vidurį gali paveikti kintamoji šilumos konvekcija iš viršaus į apačią, o viduryje yra sutelkta daug elementų, todėl EPMA negali aptikti boro elementų, o dangos viršų sudaro juodos žiedlapio formos fazės. , juodos smulkios adatos formos fazės ir baltos silkės fazės.

Kaip parodyta 6 paveiksle, plokštuminio mikrostruktūros skenavimo rezultatai rodo, kad yra turtinga eutektinė struktūra. Juodojo žiedlapio formos fazė gali būti TiB/TiB2/TiNiB eutektinė fazė, baltojo eglutės fazė yra NiTi, o kitos fazės yra titano martensitinės fazės transformacijos dariniai. BES mikrostruktūra 20 % TiB2 lazerinės dangos viduryje parodyta 7 paveiksle su skirtingų spalvų fazėmis, būtent ryškiai balta, juoda ir tamsiai pilka. Ryškiausias yra NiTi intermetalinis junginys, juodas yra titano ir boro mišri fazė, o tamsiai pilka yra martensitinio titano ir titano oksido mišri fazė. Lazerinės dangos apačioje pamažu didėja silkės fazė, pradeda didėti tamsiai pilko sluoksnio plotas, o juodo žiedlapio formos fazė ir juodos smulkios adatos formos fazė žymiai sumažėja.

3.3 Mikrokietumas
Pagal mikrokietumo testą Ti6Al4V lydinio kietumas yra 349.2HV1.0. Lazerinio dengimo sluoksnių, paruoštų skirtingais miltelių santykiais, mikrokietumo pasiskirstymas išilgai gylio parodytas 8 paveiksle. Matyti, kad skirtingų miltelių santykio lazerinio dengimo sluoksnių mikrokietumas yra didesnis nei Ti6Al4V lydinio. Didėjant TiB2 miltelių santykiui, mikrokietumas palaipsniui didėja. Kai TiB2 miltelių santykis yra 40%, didžiausias apvalkalo sluoksnio mikrokietumas siekia 920.8HV1.0, o tai yra maždaug 3 kartus didesnis nei Ti6Al4V lydinio.

Didėjant lazerinio dengimo sluoksnio gyliui tam tikrame diapazone, sluoksnio mikrokietumas sparčiai mažėja, o skerspjūvio sluoksnis virš pagrindo ir dangos jungiamojo paviršiaus rodo mikrokietumo svyravimo reiškinį. Skerspjūvio sluoksnis, kurio gylis yra nuo 0.7 iki 0.8 mm, yra šilumos poveikio zonoje. Šios srities mikrokietumas yra apie 400HV1.0, o mikrokietumo didėjimo tendencija yra labai lėta. Skerspjūvio sluoksnio mikrokietumas nuo 0.7 iki 0.8 mm gylyje yra gana didelis, nes kietesni TiB2 grūdeliai lazerio dengimo sluoksnyje pasižymi dideliu atsparumu smūgiams, o lazerinio dengimo procesas gali paskatinti smulkaus TiB susidarymą ir užkirsti kelią grūdėtumui. ribinis dislokacijos slydimas, taip pagerindamas lazerinio dengimo procese paruošto lazerinio dengimo sluoksnio mikrokietumą [14].

Išlydyto baseino srauto įtakoje paviršinis TiB2 pradeda difunduoti, o dangos sluoksnio viduryje bus šiek tiek likučio TiB2, tačiau koncentracija nebus per didelė, o mikrostruktūra [15] taip pat šiek tiek sumažės. . Apatinis dangos sluoksnio kraštas yra šilumos paveikta zona. Išsilydžius daug Ti elementų išplaukia aukštyn, todėl pradinė medžiaga labai praskiesta išlydytame baseine, be pakankamai stiprinimo fazės, o karščio paveikta zona turi mažiausią mikrokietumą [16]. Rezultatai rodo, kad TiB2 miltelių pridėjimas žymiai pagerina dengimo sluoksnio kietumą.

3.4 Atsparumas dilimui
Lazerinio dengimo sluoksnio dėvėjimosi greitis su tuo pačiu miltelių santykiu kinta priklausomai nuo apkrovos, kaip parodyta 9 paveiksle. Ti6Al4V pagrindo medžiagų, tai rodo, kad dengimo sluoksnių atsparumas dilimui yra labai puikus. Dengimo sluoksnių susidėvėjimo greitis yra glaudžiai susijęs su kietosios fazės kiekiu. Kai TiB6 miltelių santykis padidėja nuo 4% iki 2%, TiB kietosios fazės kiekis didėja ir susidėvėjimo greitis mažėja; kai TiB20 miltelių santykis padidėja nuo 30% iki 2%, TiB kietosios fazės kiekis toliau didėja ir atsiranda TiB30, todėl minimalus susidėvėjimo greitis yra tik 40 × 2-1.5 mm10/s.

Ti6Al4V SEM susidėvėjimo morfologija esant skirtingoms apkrovoms parodyta 10 paveiksle. Kaip matyti iš 10a paveikslo, titano lydinys, veikiant 20 N apkrovai, sukuria labai mažai susidėvėjimo nuolaužų, o susidėvėjimo zona yra netaisyklinga, išlenkta ir deimantinė. formos (žr. A sritį 10a paveiksle), o tai rodo, kad Ti6Al4V substrato medžiaga yra labai pažeista judant atgal. Padidėjus apkrovai iki 40N, latako gylis didėja (žr. 10b pav. B plotą), abrazyvinių dalelių sparčiai daugėja, o substrato dėvėjimosi proceso metu atsiranda nusidėvėjimas ir nukrypimas, todėl abrazyvinis ir klijų susidėvėjimas yra labai rimtas. Kai apkrova yra 60 N, susidėvinčiame paviršiuje susidaro didelės duobės (žr. 10c paveikslo C sritį), o įbrėžimo paviršiuje kaupiasi abrazyvinės dalelės (žr. D sritį 10c paveiksle). Todėl padidėjusi apkrova pagreitins titano lydinio medžiagos lupimąsi trinties ir susidėvėjimo proceso metu, o titano lydinio trinties ir nusidėvėjimo savybės yra labai prastos. Li JN ir kt. [17] ir Weng F. ir kt. [18] taip pat aptiko panašių titano lydinių dilimo paviršių.

Ni + 40% TiB2 dengimo sluoksnis turi didžiausią mikrokietumą ir geriausią atsparumą dilimui. Todėl Ni + 40% TiB2 dengimo sluoksnis ant titano lydinio paviršiaus buvo pasirinktas tiriant lazerinio dengimo sluoksnio nusidėvėjimo mechanizmą. SEM nusidėvėjimo morfologija lazerinis dengimo sluoksnis esant skirtingoms apkrovoms, parodyta 11 pav. Lazerinio dengimo sluoksnio mikrokietumas žymiai pagerėjo, todėl dengiamojo sluoksnio dėvėjimasis yra daug geresnis nei titano lydinio. Kaip matyti iš 11a paveikslo, abrazyvinių dalelių skaičius labai sumažėjo, o dydis taip pat tapo daug mažesnis (žr. A sritį 11a paveiksle). Taip yra dėl kietųjų NiB, TiB2 ir TiO2 kietųjų fazių susidėvėjimo [5]. Susidėvėjusiame dangos sluoksnyje atsiranda kai kurių sugriuvusių konstrukcijų (žr. B sritį 11b pav.). Tikėtina, kad struktūrą sudarys kietos fazės dalelės. Mažos metalo drožlės yra dryžuotos dėl didelės laikomosios galios, todėl išvengiama griovelių ir įbrėžimų susidarymo. Padidėjus apkrovai iki 40 N, didesnė tikimybė, kad sluoksniai išskils, Ni + 40% TiB2 apvalkalo sluoksnio abrazyvinės dulkės žymiai padidėja, susidėvėjusiame paviršiuje atsiranda mikroporų (žr. 11b pav. C sritį), abrazyvinis nusidėvėjimas ir tuo pačiu metu atsiranda klijų nusidėvėjimas. Toliau didėjant apkrovai, abrazyvinės dulkės dengimo sluoksnis pradeda plisti į visą susidėvėjusį paviršių, didėja mikroporų gylis ir plotis (žr. plotą D 11b paveiksle). Visi šie reiškiniai rodo, kad didėjant apkrovai trapūs skilimas tampa vis rimtesnis, o kompozitinė danga netinkama didelėms apkrovoms.

4 Išvada

Siekiant pagerinti Ti6Al4V lydinio atsparumą dilimui, lazerinis dengimas buvo paruoštas ant titano lydinio paviršiaus naudojant Ni ir TiB2 mišrius miltelius. Rezultatai pateikti žemiau.

(1) Lazerinio dengimo sluoksnio rentgeno spinduliuotės rezultatai rodo, kad lazerinį dengimo sluoksnį daugiausia sudaro TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, NiTi lydinio kietas tirpalas ir TiO2, o padidėjus TiB2 miltelių santykiui, TiB2 fazė. turinys toliau didėja.

(2) Dengimo sluoksnis daugiausia sudarytas iš juodos elipsės fazės, pailgos adatos fazės ir aplinkinių ląstelių fazės. Juodoji elipsinė fazė yra TiB2, adatos formos fazė yra TiB, o aplinkinė ląstelių fazė yra NiTi. Didėjant TiB2 kiekiui, TiB kiekis didėja, o TiB metalografinės dalelės tampa grubesnės.

(3) Kai TiB2 miltelių santykis yra 40%, apvalkalo sluoksnio mikrokietumas pasiekia didžiausią 920. 8HV1. 0, tai yra maždaug 3 kartus daugiau nei Ti6Al4V lydinio. Mikrokietumo padidėjimas pagerina dengimo sluoksnio atsparumą dilimui. Didėjant apkrovai, vis rimtesnis tampa trapus kompozitinės dangos lupimasis, kuris netinka didelės apkrovos sąlygomis.