Streszczenie: W celu poprawy odporności na zużycie powlekany laserowo Powłoka kompozytowa Ni + TiB2 przygotowana na powierzchni Ti6Al4V, badano wpływ stosunku proszku na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne. Powłoka napylana laserowo składa się głównie z TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, stałego roztworu stopu NiTi i TiO2. Warstwa napylana składa się głównie z czarnej fazy eliptycznej, wydłużonej fazy igłowatej i otaczającej fazy krystalicznej komórek. Czarna faza eliptyczna, faza igłowata i otaczająca faza krystaliczna komórek to odpowiednio TiB2, TiB, NiTi. Gdy wzrasta zawartość dodatku TiB2, wzrasta zawartość TiB, a cząstki metalograficzne TiB stają się grube. Najwyższa mikrotwardość warstwy napylanej osiąga 920 HV8. 1, co stanowi około 0-krotność stopu Ti3Al6V. Zwiększona mikrotwardość poprawia właściwości odporności na zużycie powłoki okładzinowej. Kruche łuszczenie staje się poważniejsze wraz ze wzrostem obciążenia, a powłoka kompozytowa nie nadaje się do warunków dużego obciążenia.
Słowa kluczowe: napawanie laserowe; powłoka kompozytowa Ni + TiB2; Ti6Al4V; właściwość odporności na zużycie

1. Wstęp

Stopy tytanu mają doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość, niska gęstość i dobra odporność na korozję, i są często stosowane w lotnictwie, inżynierii morskiej, produkcji samochodów i innych dziedzinach [1]. Jednak niska twardość i słaba odporność na zużycie stopów tytanu ograniczają ich szerokie zastosowanie. W technologii modyfikacji powierzchni, nakładanie laserowe z wysoką gęstością energii, małą strefą wpływu ciepła i silnym wiązaniem metalurgicznym zawsze przyciągało wiele uwagi [2].

Do laserowego powlekania stopów tytanu wprowadzono różne systemy materiałowe, wśród których kompozytowy system materiałowy jest bardziej popularną i skuteczną metodą [3]. W kompozytowym systemie materiałowym faza wzmacniająca TiB2 jest stosowana jako wykonalny sposób na poprawę twardości i odporności na zużycie. Qi K. i in. [1] przygotowali powłokę kompozytową TiB2/metal na stopie Ti6Al4V przez laserowe powlekanie proszków mieszanych Fe, Co, Cr, B i C i zbadali wpływ pola magnetycznego na właściwości mechaniczne i właściwości ścierne powłoki. Lin YH i in. [4] użyli czystego proszku TiB2 do przygotowania gradientowej powłoki TiB2/TiB na stopie tytanu. Mikrotwardość wykazała trend spadku gradientu, ale wytrzymałość na pękanie wykazała trend wzrostu gradientu. Kumar S. i in. [5] zbadali mieszankę proszków powłoki laserowego powlekania Ti6Al4V, CBN i TiO2 i odkryli różne struktury, takie jak igłowa, walcowa prętowa i krótka dendrytyczna. Kompozytowy materiał o osnowie metalowej (TiN, TiAlN, AlN i TiB2) z azotku i boru zastosowano jako główną fazę strukturalną powłoki, w celu zwiększenia twardości i odporności na zużycie.

Nikiel lub stop na bazie niklu to idealna matryca o dobrej stabilności strukturalnej, odporności na wysoką temperaturę, odporności na korozję, wysokiej wytrzymałości i dobrej zwilżalności. Powłoka kompozytowa wzmocniona cząsteczkami nanoszonymi metodą napawania laserowego została przygotowana przez bezpośrednie dodanie środka wzmacniającego lub powiązanych elementów do zoptymalizowanego proszku stopowego, a powłoka nanoszona laserowo z co najmniej dwiema fazami o różnych właściwościach mechanicznych stanie się ważnym zapotrzebowaniem na wzmacnianie powierzchni w przyszłości [6]. Xu SY i in. [7] przygotowali powłokę kompozytową TiC/Ni60 na powierzchni stopu Ti6Al4V metodą napawania laserowego. Yu XL i in. [2] przygotowali kompozyty niklowo-węglikowe na podłożu stalowym 20 metodą napawania laserowego. Duża ilość cząstek TiC w kompozycie Ni/40TiC utrudniała wzrost kryształów niklu, co skutkowało drobniejszą mikrostrukturą kompozytu Ni/40TiC. Średnia mikrotwardość kompozytu Ni/40TiC wynosiła około 851 HV, a współczynnik tarcia 0.43. Wang Q. i in. [8] badali mikrostrukturę i właściwości powłok kompozytowych gradientowych na bazie Ni. Powłoki składały się z matrycy Ni, WC oraz wielu twardych faz węglikowych i borkowych. Maksymalna mikrotwardość osiągnęła 1053.5HV0.2, a wartości współczynnika tarcia i strat zużycia były niższe niż w przypadku stali Q345.

W celu zbadania mikrostruktury i odporności na zużycie stopu Ti6Al4V wybrano proszki mieszane Ni i TiB2 do przygotowania warstw napawania laserowego stopu Ti6Al4V.

2 Materiały i metody doświadczalne
2 Materiały doświadczalne
Jako podłoże wybrano płytę ze stopu Ti100Al100V o wymiarach 10 mm × 6 mm × 4 mm, a jej skład chemiczny i właściwości mechaniczne przedstawiono odpowiednio w tabeli 1 i tabeli 2. Ponieważ proszek Ni może poprawić rozkład źródła ciepła i skoncentrować ciepło podczas napawania laserowego, wybrano proszek Ni i proszek TiB2 do przygotowania powłoki kompozytowej z TiB2 jako fazą wzmacniającą. Morfologię metalograficzną proszku Ni i proszku TiB2 przedstawiono na rysunku 1.

2. 2 Metody eksperymentalne
Aby proszek i płyta bazowa były ściśle ze sobą połączone, zastosowano mechaniczne szlifowanie w celu usunięcia warstwy tlenku powierzchniowego płyty ze stopu tytanu, a do usunięcia plam oleju użyto 5% roztworu kwasu HF + 15% HNO3. Do zapewnienia ciągłego lasera użyto ciągłego lasera światłowodowego YSL-3000, a płytkę Ti6Al4V z wstępnie ustawionym proszkiem umieszczono w plastikowym pudełku o wymiarach 200 mm × 200 mm × 50 mm, a do plastikowego pudełka w sposób ciągły wstrzykiwano argon. Podczas procesu napawania laserowego średnica plamki wynosi 1.8 mm, a prędkość skanowania wynosi 7 mm/s. Gdy stosunek Ni + TiB2 wynosi 40%, parametry proszku laserowego wynoszą odpowiednio 700 W, 900 W i 1100 W, a badano wpływ proszku laserowego na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne; gdy masa proszku laserowego wynosi 900 W, stosunki proszku wynoszą odpowiednio Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2, a następnie badany jest wpływ stosunku proszku na masę proszku laserowego. Próbki z warstwą naniesioną laserowo można oznaczyć jako 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).

Próbki dyfraktometru rentgenowskiego (XＲD), próbki skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i próbki do testów wydajnościowych przygotowano przez cięcie iskrą elektryczną, a próbki szlifowano mechanicznie, polerowano mechanicznie i skorodowano roztworem kwasu 5% HF + 15% HNO3. Skład fazowy warstwy powłoki laserowej scharakteryzowano za pomocą mikroobszaru dyfraktometru rentgenowskiego Brooker D8-advance (XＲD), a mikrostrukturę warstwy powłoki laserowej obserwowano za pomocą mikroskopu optycznego (OM) i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Twardościomierz Vickersa HV-5 badano w celu pomiaru twardości wzdłuż głębokości powierzchni warstwy powłoki laserowej. Do testów tarcia i zużycia wybrano szybki, posuwisto-zwrotny tester tarcia i zużycia HＲS-2M. Materiałem pomocniczym do tarcia była ceramiczna kula mieląca Si3N2 o średnicy 4 mm. Parametry tarcia i zużycia wynosiły prędkość posuwisto-zwrotną 200 obr./min i obciążenie promieniowe 20/40/60 N.

3 Wyniki i dyskusja
3.1 Skład fazy XRD
Skład faz XRD pięciu próbek pokazano na rysunku 2. Każda próbka zawiera niewielką ilość TiN w swoim składzie chemicznym, co jest powodem, dla którego atomy N wnikają do warstwy powłoki laserowej, powodując reakcję azotowania. Podczas przepływu stopionego jeziorka niewielka ilość wanadu rozpuszcza się w materiale matrycy stopu tytanu, a w tym procesie faza α przekształca się w fazę β, więc β-Ti pojawia się na rysunku 2. TiB2 ma charakterystykę rozpuszczania-wytrącania podczas procesu powłoki laserowej. Niewielka ilość TiB2 może zostać całkowicie rozpuszczona, a część TiB2 może połączyć się z Ti, tworząc TiB, a pozostała część TiB2 może rekrystalizować. Ti może reagować z Ni, tworząc NiTi, Ni3Ti i NiTi2, ale Ti i Ni mają taką samą energię wiązania chemicznego, co ułatwia utworzenie stabilnego związku obojętnego metalu NiTi, a atomy Ti mają dużą szybkość dyfuzji, więc Ti i Ni reagują, tworząc tylko NiTi［9］. Jak widać na rysunku 2, warstwa powłoki laserowej składa się głównie z TiB, TiB2, α-Ti, stałego roztworu stopu NiTi, TiO2 itp., a wyniki XRD pokazują również niewielką ilość β-Ti.

Zgodnie ze średnią swobodną energią Gibbsa mogą wystąpić trzy reakcje: patrz (1), (2) i (3) na rysunku. Podczas procesu napawania laserowego atomy Ni i B mogą reagować z atomami Ti, tworząc TiB2, NiTi i TiB. Średnia swobodna energia Gibbsa ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, więc kolejność formowania materiału jest następująca: TiB > NiTi > TiB2.

Gdy udział proszku TiB2 wzrasta do 30%, wzór reakcji termochemicznej (2) przesuwa się w prawo. Faza TiB w warstwie napawania laserowego wzrasta, a faza Ti maleje. Gdy udział proszku TiB2 nadal wzrasta do 40%, zawartość faz TiB i TiB2 wzrasta dalej. Ponadto Ni i Ti mają silne powinowactwo i stopniowo tworzą metalizację NiTi. Dlatego też końcowymi głównymi produktami warstwy napawania laserowego Ni + 40% TiB2 są NiTi, TiO2, TiB, TiB2 i Ti.

3.2 Mikrostruktura
Struktura SEM warstwy płaszcza laserowego Ni + 20% TiB2 jest pokazana na Rysunku 3. Warstwa płaszcza składa się głównie z czarnej fazy eliptycznej, wydłużonej fazy igłowej i otaczającej fazy komórkowej. Średnia średnica najbardziej rozproszonej fazy mikrocząstek wynosi 0.5 ~ 3.0 μm. Ponieważ liczba atomowa pierwiastka B wynosi 5, zwykły analizator widma energii nie może dokładnie zmierzyć zawartości pierwiastków o liczbie atomowej mniejszej niż 10. Mikroanaliza rentgenowska z sondą elektronową (EPMA) jest używana do pomiaru dystrybucji i zawartości każdego pierwiastka w warstwie płaszcza [10, 11]. Wyniki EPMA w różnych pozycjach na Rysunku 3 są pokazane w Tabeli 3.

Z tabeli 3 wynika, że ​​skład chemiczny warstwy płaszcza składa się głównie z pierwiastków Ti, B, Ni i zawiera niewielką ilość pierwiastków Al i V. Zawartość pierwiastków Ti i Ni w pozycji a jest zasadniczo taka sama, nie ma pierwiastka B, a stały roztwór NiTi może występować. Głównymi pierwiastkami w pozycji b są Ti i B, a zawartość obu pierwiastków przekracza 40%. Można wnioskować, że fazą igłową w pozycji b jest TiB.

Zgodnie z prawem termodynamicznym Gibbsa, energia wiązania BB > energia wiązania B-Ti > energia wiązania Ti-Ti [12], co sprawia, że ​​tempo wzrostu TiB w kierunku jego własnej wysokości jest coraz szybsze niż w kierunku wzrostu prostopadłym do jego własnej wysokości, co ułatwia pojawienie się fazy przypominającej igłę. Zawartość pierwiastka B w pozycji c jest około dwukrotnie większa niż pierwiastka Ti. Widmo XRD na rysunku 2 pokazuje, że intensywność piku dyfrakcyjnego TiB2 jest stosunkowo wysoka. Czarna faza eliptyczna w pozycji c prawdopodobnie jest TiB2.

Mikrostruktura SEM warstw napawania laserowego o różnych proporcjach proszku jest pokazana na rysunku 4. Można zauważyć, że gdy zawartość dodatku TiB2 jest mała, zawartość TiB w warstwie napawania maleje, a jej rozkład jest również bardziej rozproszony. Gdy zawartość dodatku TiB2 wzrasta, zawartość TiB wzrasta, cząstki metalograficzne TiB stają się grubsze, a rozkład jest rozproszony. Zjawisko to jest spowodowane wzrostem pierwiastka B promującym reakcję między pierwiastkiem B i Ti.

Aby zbadać mikrostrukturę powłoki, na rysunku 5 pokazano mikrostrukturę SEM górnej, środkowej i dolnej części powłoki.

Ewolucja struktury warstwy płaszcza wraz z gradientem głębokości jest bardzo oczywista. Duża liczba dwufazowych cząstek jest syntetyzowana in situ na górze powłoki, wiele z nich jest drobno rozdrobnionych, a także występuje niewielka liczba struktur igłowatych i kształtowych. Jednocześnie twarde cząstki wzmacniające TiB i TiB2 mogą zapobiegać nadmiernej utracie temperatury na górze roztopionego jeziorka. Po stopieniu i zniszczeniu ziarna w warstwie płaszcza rosną bezkierunkowo w nieregularnym kierunku i ponownie się zarodkują. Rozmiar nowej fazy po zarodkowaniu jest niewielki, co sprawia, że ​​cząstki fazowe są rafinowane [13]. Środek powłoki może być dotknięty naprzemienną konwekcją ciepła z góry na dół, a duża liczba pierwiastków jest skoncentrowana w środku, więc EPMA nie może wykryć pierwiastków boru, a góra powłoki składa się z czarnych faz w kształcie płatków, czarnych faz w kształcie drobnych igieł i białych faz jodełkowych.

Jak pokazano na rysunku 6, wyniki skanowania płaszczyzny mikrostruktury pokazują, że występuje bogata struktura eutektyczna. Czarna faza płatkowa może być fazą eutektyczną TiB/TiB2/TiNiB, biała faza jodełkowa to NiTi, a pozostałe fazy są pochodnymi przemiany fazowej martenzytycznej tytanu. Mikrostruktura BES w środku powłoki laserowej 20% TiB2 jest pokazana na rysunku 7, z fazami o różnych kolorach, a mianowicie jasnobiałym, czarnym i ciemnoszarym. Jasna to związek międzymetaliczny NiTi, czarna to mieszana faza tytanu i boru, a ciemnoszara to mieszana faza martenzytycznego tytanu i tlenku tytanu. Faza jodełkowa na dole powłoki laserowej stopniowo wzrasta, powierzchnia ciemnoszarej warstwy zaczyna się zwiększać, a czarna faza płatkowa i czarna faza w kształcie drobnych igieł są znacznie zmniejszone.

3.3 Mikrotwardość
Zgodnie z testem mikrotwardości, twardość stopu Ti6Al4V wynosi 349.2HV1.0. Rozkład mikrotwardości warstw napawania laserowego przygotowanych z różnymi proporcjami proszku wzdłuż głębokości pokazano na rysunku 8. Można zauważyć, że mikrotwardość warstw napawania laserowego z różnymi proporcjami proszku jest wyższa niż w przypadku stopu Ti6Al4V. Wraz ze wzrostem proporcji proszku TiB2, mikrotwardość stopniowo wzrasta. Gdy proporcja proszku TiB2 wynosi 40%, najwyższa mikrotwardość warstwy napawania osiąga 920.8HV1.0, co jest około 3 razy większą wartością niż w przypadku stopu Ti6Al4V.

Wraz ze wzrostem głębokości warstwy napawania laserowego w pewnym zakresie, mikrotwardość warstwy wykazuje szybki trend spadkowy, a warstwa przekroju poprzecznego nad powierzchnią wiązania podłoża i powłoki wykazuje zjawisko fluktuacji mikrotwardości. Warstwa przekroju poprzecznego o głębokości od 0.7 do 0.8 mm znajduje się w strefie wpływu ciepła. Mikrotwardość tego obszaru wynosi około 400HV1.0, a trend wzrostowy mikrotwardości jest bardzo powolny. Mikrotwardość warstwy przekroju poprzecznego na głębokości od 0.7 do 0.8 mm jest stosunkowo wysoka, ponieważ twardsze ziarna TiB2 w warstwie napawania laserowego mają silną odporność na uderzenia, a proces napawania laserowego może promować tworzenie się drobnego TiB i zapobiegać poślizgowi dyslokacji granic ziaren, poprawiając w ten sposób mikrotwardość warstwy napawania laserowego przygotowanej w procesie napawania laserowego [14].

Pod wpływem przepływu stopionego jeziorka, powierzchnia TiB2 zaczyna dyfundować, a w środku warstwy okładzinowej będzie trochę resztkowego TiB2, ale jego stężenie nie będzie zbyt wysokie, a mikrostruktura [15] również nieznacznie się zmniejszy. Dolna krawędź warstwy okładzinowej to strefa wpływu ciepła. Duża ilość pierwiastków Ti wypływa po stopieniu, co powoduje duży stopień rozcieńczenia materiału macierzystego w stopionym jeziorku, bez wystarczającej fazy wzmocnienia, a strefa wpływu ciepła ma najniższą mikrotwardość [16]. Wyniki pokazują, że dodanie proszku TiB2 znacznie poprawia twardość warstwy okładzinowej.

3.4 Odporność na zużycie
Szybkość zużycia warstwy powłoki laserowej o tym samym stosunku proszku zmienia się wraz z obciążeniem, jak pokazano na rysunku 9. Szybkości zużycia warstw Ti6Al4V i powłoki laserowej rosną wraz ze wzrostem obciążenia, a szybkość zużycia warstw powłoki laserowej jest znacznie niższa niż materiałów podłoża Ti6Al4V, co wskazuje, że odporność na zużycie warstw powłoki jest bardzo doskonała. Szybkość zużycia warstw powłoki jest ściśle związana z zawartością fazy twardej. Gdy stosunek proszku TiB2 wzrasta z 20% do 30%, zawartość fazy twardej TiB wzrasta, a szybkość zużycia maleje; gdy stosunek proszku TiB2 wzrasta z 30% do 40%, zawartość fazy twardej TiB dalej wzrasta, a pojawia się TiB2, co skutkuje minimalną szybkością zużycia wynoszącą zaledwie 1.5 × 10-4 mm3/s.

Morfologię zużycia SEM Ti6Al4V przy różnych obciążeniach pokazano na rysunku 10. Jak widać na rysunku 10a, stop tytanu wytwarza bardzo mało zanieczyszczeń ściernych przy obciążeniu 20 N, a strefa zużycia jest nieregularna, zakrzywiona i ma kształt diamentu (patrz obszar A na rysunku 10a), co wskazuje, że materiał podłoża Ti6Al4V jest poważnie uszkodzony podczas ruchu posuwisto-zwrotnego. Gdy obciążenie wzrasta do 40 N, głębokość wgłębienia wzrasta (patrz obszar B na rysunku 10b), cząstki ścierne szybko rosną, a zużycie i odchylenia występują podczas procesu zużycia podłoża, więc zużycie ścierne i zużycie adhezyjne są bardzo poważne. Gdy obciążenie wynosi 60 N, na powierzchni zużycia powstają duże wżery (patrz obszar C na rysunku 10c), a cząstki ścierne gromadzą się na powierzchni zarysowania (patrz obszar D na rysunku 10c). Dlatego zwiększone obciążenie przyspieszy łuszczenie się materiału stopu tytanu podczas procesu tarcia i zużycia, a parametry tarcia i zużycia stopu tytanu są bardzo słabe. Li JN i in. [17] oraz Weng F. i in. [18] również stwierdzili podobne powierzchnie ścierne stopów tytanu.

Warstwa powłokowa Ni + 40% TiB2 ma najwyższą mikrotwardość i najlepszą odporność na zużycie. Dlatego warstwa powłokowa Ni + 40% TiB2 na powierzchni stopu tytanu została wybrana do zbadania mechanizmu zużycia warstwy powłokowej laserowej. Morfologia zużycia SEM warstwa powlekania laserowego przy różnych obciążeniach pokazano na Rysunku 11. Mikrotwardość warstwy powłoki laserowej jest znacznie poprawiona, więc odporność na zużycie warstwy powłoki jest znacznie lepsza niż stopu tytanu. Jak widać na Rysunku 11a, liczba cząstek ściernych została znacznie zmniejszona, a ich rozmiar również stał się znacznie mniejszy (patrz obszar A na Rysunku 11a). Jest to spowodowane zużyciem twardych faz NiB, TiB2 i TiO2 [5]. W zużytej warstwie powłoki pojawiają się pewne zapadnięte struktury (patrz obszar B na Rysunku 11b). Struktura prawdopodobnie składa się z cząstek fazy twardej. Maleńkie wióry metalowe są prążkowane ze względu na ich wysoką nośność, co zapobiega tworzeniu się rowków i zarysowań. Gdy obciążenie wzrasta do 40 N, prawdopodobieństwo wystąpienia łuszczenia się warstw jest większe, pył ścierny warstwy okładzinowej Ni + 40% TiB2 znacznie wzrasta, na zużytej powierzchni pojawiają się mikropory (patrz obszar C na rysunku 11b), a zużycie ścierne i zużycie adhezyjne występują jednocześnie. W miarę dalszego wzrostu obciążenia pył ścierny warstwy warstwa okładzinowa zaczyna rozprzestrzeniać się na całą zużytą powierzchnię, a głębokość i szerokość mikroporów wzrasta (patrz obszar D na rysunku 11b). Wszystkie te zjawiska wskazują, że wraz ze wzrostem obciążenia kruche odpryskiwanie staje się poważniejsze, a powłoka kompozytowa nie nadaje się do warunków dużego obciążenia.

Wnioski 4

Aby poprawić odporność na zużycie stopu Ti6Al4V, powłoka laserowa został przygotowany na powierzchni stopu tytanu przy użyciu proszku mieszanego Ni i TiB2. Wyniki przedstawiono poniżej.

(1) Wyniki XRD warstwy napawania laserowego pokazują, że warstwa napawania laserowego składa się głównie z TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, stałego roztworu stopu NiTi i TiO2, a wraz ze wzrostem udziału proszku TiB2, zawartość fazy TiB2 wzrasta dalej.

(2) Warstwa okładzinowa składa się głównie z czarnej fazy eliptycznej, wydłużonej fazy igłowatej i otaczającej fazy komórkowej. Czarna faza eliptyczna to TiB2, faza igłowata to TiB, a otaczająca faza komórkowa to NiTi. Wraz ze wzrostem dodatku TiB2, zawartość TiB wzrasta, a cząstki metalograficzne TiB stają się grubsze.

(3) Gdy udział proszku TiB2 wynosi 40%, mikrotwardość warstwy okładzinowej osiąga maksymalnie 920HV8, co stanowi około 1-krotność wartości stopu Ti0Al3V. Wzrost mikrotwardości poprawia odporność warstwy okładzinowej na zużycie. Wraz ze wzrostem obciążenia kruche łuszczenie się powłoki kompozytowej staje się coraz poważniejsze, co nie jest odpowiednie w warunkach dużego obciążenia.