Abstrak: Dina raraga ngaronjatkeun kinerja lalawanan maké laser cladded Lapisan komposit Ni + TiB2 disiapkeun dina permukaan Ti6Al4V, pangaruh rasio bubuk dina mikrostruktur sareng sipat mékanis ditalungtik. Lapisan laser cladding utamana diwangun ku TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, solusi padet alloy NiTi sareng TiO2. Lapisan cladding utamana diwangun ku fase elliptic hideung, fase jarum-kawas elongated jeung fase kristal sél sabudeureun. Fase elliptic hideung, fase kawas jarum jeung fase kristal sél sabudeureunana nyaéta TiB2, TiB, NiTi, masing-masing. Nalika kandungan jumlah aditif TiB2 naek, eusi TiB naek, partikel metalografi TiB jadi kasar. The microhardness pangluhurna lapisan cladding ngahontal 920. 8 HV1. 0, nu ngeunaan 3 kali tina alloy Ti6Al4V, ngaronjat microhardness ngaronjatkeun sipat lalawanan maké tina palapis cladding. Spalling rapuh janten langkung serius sareng beban ningkat, sareng palapis komposit henteu cocog pikeun kaayaan beban anu luhur.
Konci: laser cladding; palapis komposit Ni + TiB2; Ti6Al4V; ngagem sipat lalawanan

1. perkenalan

Aloi titanium miboga sipat anu alus teuing kayaning kakuatan tinggi, dénsitas low sarta lalawanan korosi alus, sarta mindeng dipaké dina aerospace, rékayasa laut, manufaktur mobil jeung widang lianna [1]. Sanajan kitu, karasa low sarta lalawanan maké goréng tina alloy titanium ngawatesan aplikasi lega maranéhanana. Dina téknologi modifikasi permukaan, cladding laser kalayan kapadetan énergi anu luhur, zona anu kapangaruhan panas sareng beungkeutan metalurgi anu kuat sok narik perhatian [2].

Sistem bahan anu béda-béda parantos diwanohkeun kana cladding laser tina alloy titanium, diantarana sistem bahan komposit mangrupikeun metode anu langkung populér sareng efektif [3]. Dina sistem bahan komposit, fase tulangan TiB2 dipaké salaku cara meujeuhna pikeun ngaronjatkeun karasa tur ngagem lalawanan. Qi K. dkk. [1] disiapkeun TiB2 / palapis komposit logam dina alloy Ti6Al4V ku laser cladding Fe, Co, Cr, B jeung C powders dicampur, sarta diajarkeun pangaruh médan magnét dina sipat mékanis jeung maké sipat palapis nu. Lin YH et al. [4] dipaké bubuk TiB2 murni pikeun nyiapkeun TiB2 / TiB gradién palapis dina alloy titanium. Microhardness nunjukkeun tren turunna gradién, tapi kateguhan narekahan nunjukkeun tren paningkatan gradién. Kumar S. et al. [5] nalungtik campuran bubuk Ti6Al4V, CBN na TiO2 laser cladding palapis, sarta kapanggih struktur béda kayaning jarum ngawangun, cylindrical rod ngawangun sarta pondok-panjangna dendrite ngawangun. Bahan komposit matriks logam (TiN, TiAlN, AlN sareng TiB2) nitrida sareng boride dianggo salaku fase struktural utama palapis pikeun ningkatkeun karasa sareng tahan ngagem.

Nikel atawa alloy basis nikel mangrupa matrix idéal kalawan stabilitas struktural alus, résistansi suhu luhur, résistansi korosi, kakuatan tinggi na wettability alus. Laser cladding partikel bertulang komposit palapis ieu disiapkeun ku langsung nambahkeun agén reinforcing atawa elemen patali ka bubuk alloy dioptimalkeun, sarta palapis laser cladding kalawan sahenteuna dua fase mibanda sipat mékanis béda bakal jadi paménta penting pikeun permukaan strengthening dina mangsa nu bakal datang [6]. Xu SY et al. [7] disiapkeun TiC / Ni60 palapis komposit dina beungeut alloy Ti6Al4V ku cladding laser. Yu XL et al. [2] disiapkeun nikel-titanium carbide composites on 20 substrat baja ku cladding laser. Jumlah badag partikel TiC dina komposit Ni / 40TiC hindered tumuwuhna kristal nikel, hasilna microstructure finer tina komposit Ni / 40TiC. Rata microhardness tina komposit Ni / 40TiC éta ngeunaan 851HV, sarta koefisien gesekan éta 0.43. Wang Q. dkk. [8] ngulik struktur mikro sareng sipat palapis komposit gradién dumasar-Ni. The coatings diwangun ku Ni matrix, WC jeung sababaraha carbide na boride fase teuas. The microhardness maksimum ngahontal 1053.5HV0.2, sarta koefisien gesekan sarta nilai leungitna maké éta leuwih handap tina baja Q345.

Dina raraga diajar microstructure sarta ngagem lalawanan tina alloy Ti6Al4V, Ni na TiB2 dicampur powders dipilih pikeun nyiapkeun Ti6Al4V alloy laser lapisan cladding.

2 Bahan sareng metode ékspérimén
2. 1 Bahan ékspérimén
Plat alloy 100mm × 100mm × 10mm Ti6Al4V dipilih salaku substrat, sareng komposisi kimia sareng sipat mékanisna dipidangkeun dina Tabel 1 sareng Tabel 2, masing-masing. Kusabab bubuk Ni bisa ningkatkeun distribusi sumber panas sarta konsentrasi panas salila cladding laser, bubuk Ni jeung bubuk TiB2 dipilih pikeun nyiapkeun palapis komposit jeung TiB2 salaku fase tulangan. Morfologi metalografi bubuk Ni sareng bubuk TiB2 dipidangkeun dina Gambar 1.

2. 2 Métode ékspérimén
Dina raraga nyieun bubuk jeung pelat basa pageuh kabeungkeut, grinding mékanis ieu dipaké pikeun miceun lapisan oksida permukaan plat alloy titanium, sarta 5% HF + 15% solusi asam HNO3 ieu dipaké pikeun miceun noda minyak. A YSL-3000 serat laser kontinyu ieu dipaké pikeun nyadiakeun laser kontinyu, sarta plat Ti6Al4V jeung bubuk prasetél ieu disimpen dina kotak palastik 200mm × 200mm × 50mm, sarta gas argon ieu terus nyuntik kana kotak plastik. Salila prosés cladding laser, diaméter titik nyaéta 1.8 mm jeung speed scanning nyaeta 7 mm / s. Nalika rasio Ni + TiB2 nyaéta 40%, parameter bubuk laser nyaéta 700W, 900W sareng 1100W masing-masing, sareng pangaruh bubuk laser dina mikrostruktur sareng sipat mékanis ditaliti; Nalika massa bubuk laser nyaéta 900W, babandingan bubuk nyaéta Ni + 20% TiB2, Ni + 30% TiB2, Ni + 40% TiB2 masing-masing, sareng pangaruh rasio bubuk dina massa bubuk laser diulik. Sampel sareng lapisan cladding laser tiasa ditandaan salaku S-1 (P = 700W), S-2 (P = 900W), S-3 (P = 1100W), S-4 (R = Ni + 30% TiB2), S-5 (R = Ni + 40% TiB2).

Spésimén difraktométer sinar-X (XＲD), spésimén mikroskop éléktron scanning (SEM) jeung spésimén tés kinerja disiapkeun ku motong spark listrik, sarta spésimén éta mechanically taneuh, mechanically digosok sarta corroded ku 5% HF + 15% solusi asam HNO3. Komposisi fase tina lapisan cladding laser dicirikeun ku Brooker D8-advance micro-area X-ray diffractometer (XＲD), jeung mikrostruktur lapisan cladding laser ieu observasi ku mikroskop optik (OM) jeung scanning mikroskop éléktron (SEM). Tester karasa HV-5 Vickers diulik pikeun ngukur karasa sapanjang jero permukaan lapisan cladding laser. The HＲS-2M-speed tinggi reciprocating gesekan jeung maké tester dipilih pikeun gesekan jeung maké tés. Bahan bantu gesekan éta Si3N2 keramik grinding bola kalayan diaméter 4mm. Parameter gesekan sareng ngagem nyaéta laju reciprocating 200r / mnt sareng beban radial 20/40 / 60N.

3 Hasil jeung diskusi
3.1 Komposisi fase XRD
Komposisi fase XRD tina lima sampel dipidangkeun dina Gambar 2. Unggal sampel ngandung jumlah leutik TiN dina komposisi kimia na, nu alesan naha N atom nembus kana lapisan cladding laser ngabalukarkeun réaksi nitriding. Salila aliran kolam renang molten, jumlah leutik vanadium leyur dina bahan matrix alloy titanium, sarta dina prosés ieu, fase α transforms kana fase β, jadi β-Ti mucunghul dina Gambar 2. TiB2 ngabogaan disolusi-présipitasi. ciri salila prosés cladding laser. Sajumlah leutik TiB2 tiasa leyur lengkep, sareng sababaraha TiB2 tiasa ngahiji sareng Ti pikeun ngabentuk TiB, sareng TiB2 sésana tiasa nga-recrystallize. Ti bisa ngaréaksikeun jeung Ni pikeun ngabentuk NiTi, Ni3Ti jeung NiTi2, tapi Ti jeung Ni boga énergi beungkeut kimia sarua, nu matak ngamudahkeun pikeun ngabentuk sanyawa inert logam NiTi stabil, sarta atom Ti boga laju difusi kuat, jadi Ti jeung Ni. ngan ukur ngabentuk NiTi［9］. Salaku bisa ditempo ti Gambar 2, lapisan cladding laser utamana diwangun ku TiB, TiB2, α-Ti, NiTi alloy solusi padet, TiO2, jsb, sarta hasil XRD ogé némbongkeun jumlah leutik β-Ti.

Numutkeun rata-rata énergi bébas Gibbs, tilu réaksi bisa lumangsung: tingali (1), (2), jeung (3) dina gambar. Salila prosés cladding laser, atom Ni jeung B bisa meta jeung atom Ti ngahasilkeun TiB2, NiTi, sarta TiB. Énergi bébas Gibbs rata-rata ΔG2 < ΔG1 < ΔG3, jadi urutan formasi bahan nyaéta TiB > NiTi > TiB2.

Nalika proporsi bubuk TiB2 naek ka 30%, rumus réaksi térmokimia (2) lumangsung ka katuhu. Fase TiB dina lapisan cladding laser naek jeung fase Ti nurun. Nalika proporsi bubuk TiB2 terus ningkat kana 40%, eusi fase TiB sareng TiB2 naék deui. Salaku tambahan, Ni sareng Ti gaduh afinitas anu kuat sareng laun-laun ngabentuk metalisasi NiTi. Ku alatan éta, produk utama ahir lapisan cladding laser Ni + 40% TiB2 nyaéta NiTi, TiO2, TiB, TiB2 sareng Ti.

3.2 Mikrostruktur
Struktur SEM of Ni + 20% TiB2 laser lapisan cladding ditémbongkeun dina Gambar 3. Lapisan cladding utamana diwangun ku fase elliptical hideung, fase jarum elongated jeung fase sélular sabudeureun. Diaméter rata-rata fase mikro-partikel anu paling disebarkeun nyaéta 0.5 ~ 3.0μm. Kusabab wilangan atom unsur B nyaéta 5, analis spéktrum énergi biasa teu bisa akurat ngukur eusi unsur nu nomer atom kurang ti 10. Éléktron usik X-ray microanalysis (EPMA) dipaké pikeun ngukur distribusi jeung eusi unggal unsur dina lapisan cladding [10, 11]. Hasil EPMA dina posisi béda dina Gambar 3 ditémbongkeun dina Table 3.

Ieu bisa ditempo ti Tabél 3 yén komposisi kimia lapisan cladding utamana diwangun ku elemen Ti, B, Ni, sarta ngandung sajumlah leutik unsur Al jeung V. Eusi elemen Ti jeung Ni dina posisi a dasarna sarua, euweuh unsur B, sarta solusi padet NiTi mungkin aya. Unsur utama dina posisi b nyaéta Ti jeung B, sarta eusi duanana elemen ngaleuwihan 40%. Bisa disimpulkeun yén fase kawas jarum dina posisi b nyaéta TiB.

Numutkeun hukum termodinamika Gibbs, énergi beungkeut BB > énergi beungkeut B-Ti > énergi beungkeut Ti-Ti [12], nu ngajadikeun laju tumuwuhna TiB dina arah jangkungna sorangan leuwih gancang sarta leuwih gancang ti arah tumuwuhna jejeg jangkungna sorangan. nu ngajadikeun fase kawas jarum gampang muncul. Eusi unsur B dina posisi c kira-kira dua kali tina unsur Ti. Spéktrum XRD dina Gambar 2 nunjukkeun yén inténsitas puncak difraksi TiB2 relatif luhur. Fase elliptical hideung dina posisi c kamungkinan TiB2.

Mikrostruktur SEM tina lapisan cladding laser kalawan babandingan bubuk béda ditémbongkeun dina Gambar 4. Ieu bisa ditempo yén nalika eusi tambahan TiB2 leutik, eusi TiB dina lapisan cladding nurun sarta sebaran na ogé beuki dispersed. Nalika eusi tambahan TiB2 naek, eusi TiB naek, partikel metallographic TiB jadi kasar, sarta sebaran dispersed. Fenomena ieu disababkeun ku paningkatan unsur B anu ngamajukeun réaksi antara unsur B sareng Ti.

Pikeun nalungtik mikrostruktur palapis, struktur mikro SEM luhur, tengah sareng handap palapis dipidangkeun dina Gambar 5.

Évolusi struktur lapisan cladding kalawan gradién jero pisan atra. Sajumlah ageung partikel dua fase disintésis di situ di luhureun lapisan, seueur anu ditumbuk halus, sareng aya sajumlah leutik struktur ngawangun jarum sareng bentukna. Dina waktu nu sarua, TiB na TiB2 partikel tulangan teuas bisa nyegah leungitna hawa kaleuleuwihan di luhureun kolam renang molten. Sanggeus lebur jeung karuksakan, séréal dina lapisan cladding tumuwuh non-directionally dina arah henteu teratur sarta ulang nucleate. Ukuran fase anyar sanggeus nukleasi leutik, nu ngajadikeun partikel fase disampurnakeun [13]. Tengah palapis nu bisa kapangaruhan ku convection panas bolak ti luhur ka handap, sarta sajumlah badag elemen anu ngumpul di tengah, jadi EPMA teu bisa ngadeteksi elemen boron, sarta luhureun palapis nu diwangun ku fase petal ngawangun hideung. , fase jarum hideung rupa jeung fase herringbone bodas.

Ditémbongkeun saperti dina Gambar 6, hasil scanning pesawat tina mikrostruktur némbongkeun yén aya struktur eutektik euyeub. Fase ngawangun kelopak hideung bisa jadi fase eutektik TiB/TiB2/TiNiB, fase herringbone bodas nyaéta NiTi, jeung fase séjén mangrupa turunan tina transformasi fase martensitik titanium. The BES mikrostruktur di tengah 20% TiB2 laser cladding palapis ditémbongkeun dina Gambar 7, kalawan fase tina kelir béda, nyaéta bodas caang, hideung jeung kulawu poék. Anu caang nyaéta sanyawa intermetallic NiTi, anu hideung nyaéta fase campuran titanium-boron, sareng anu abu poék nyaéta fase campuran titanium martensitik sareng titanium oksida. Fase herringbone di handapeun palapis cladding laser laun-laun ningkat, daérah lapisan abu-abu poék mimiti ningkat, sareng fase ngawangun petal hideung sareng fase bentuk jarum hideung dikirangan sacara signifikan.

3.3 Microhardness
Numutkeun kana uji microhardness, karasa alloy Ti6Al4V nyaéta 349.2HV1.0. Sebaran microhardness lapisan cladding laser disiapkeun kalawan babandingan bubuk béda sapanjang jero ditémbongkeun dina Gambar 8. Ieu bisa ditempo yén microhardness tina lapisan cladding laser kalawan babandingan bubuk béda leuwih luhur batan alloy Ti6Al4V. Kalayan paningkatan rasio bubuk TiB2, microhardness laun-laun ningkat. Nalika rasio bubuk TiB2 nyaéta 40%, microhardness pangluhurna lapisan cladding ngahontal 920.8HV1.0, nyaéta kira-kira 3 kali ti alloy Ti6Al4V.

Jeung kanaékan tina jero lapisan cladding laser dina rentang nu tangtu, anu microhardness tina lapisan nembongkeun trend turunna gancang, sarta cross-bagian lapisan luhureun beungeut beungkeutan substrat jeung palapis nu nembongkeun fenomena turun naek tina microhardness. Lapisan cross-section kalayan jerona 0.7 nepi ka 0.8 mm aya dina zone kapangaruhan panas. The microhardness wewengkon ieu ngeunaan 400HV1.0, sarta trend luhur microhardness pisan slow. The microhardness tina lapisan cross-bagian dina jero 0.7 nepi ka 0.8 mm relatif tinggi sabab harder séréal TiB2 dina lapisan cladding laser boga résistansi dampak kuat, sarta prosés cladding laser bisa ngamajukeun formasi TiB rupa jeung nyegah sisikian. slip dislocation wates, kukituna ngaronjatkeun microhardness tina lapisan cladding laser disiapkeun ku prosés cladding laser [14].

Dina pangaruh aliran kolam renang molten, permukaan TiB2 mimiti diffuse, sarta bakal aya sababaraha residual TiB2 di tengah lapisan cladding, tapi konsentrasi moal teuing tinggi, sarta microstructure nu [15] ogé bakal rada ngurangan. . Ujung handap lapisan cladding nyaéta zona anu kapangaruhan ku panas. Sajumlah ageung elemen Ti ngambang saatos lebur, nyababkeun tingkat éncér anu ageung tina bahan induk kana kolam renang molten, tanpa fase penguatan anu cukup, sareng zona anu kapangaruhan ku panas ngagaduhan microhardness panghandapna [16]. Hasilna nunjukkeun yén tambahan bubuk TiB2 sacara signifikan ningkatkeun karasa lapisan cladding.

3.4 Ngagem lalawanan
Laju maké tina lapisan laser cladding kalawan babandingan bubuk sarua beda-beda jeung beban sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 9. Laju maké tina Ti6Al4V na lapisan cladding laser ningkat kalawan kanaékan beban, sarta laju maké lapisan cladding laser jauh leuwih handap. yén tina bahan substrat Ti6Al4V, nunjukkeun yén résistansi maké lapisan cladding pisan alus teuing. Laju maké lapisan cladding raket patalina jeung eusi fase teuas. Nalika rasio bubuk TiB2 naek tina 20% ka 30%, eusi fase teuas TiB naek jeung laju maké nurun; nalika rasio bubuk TiB2 naek tina 30% nepi ka 40%, eusi fase teuas TiB naek salajengna, sarta TiB2 mucunghul, hasilna laju maké minimum ngan 1.5 × 10-4 mm3 / s.

Morfologi maké SEM tina Ti6Al4V dina beban béda ditémbongkeun dina Gambar 10. Salaku bisa ditempo ti Gambar 10a, alloy titanium ngahasilkeun saeutik pisan maké lebu dina beban 20 N, sarta zone maké téh teratur, melengkung, sarta inten- bentukna (tingali wewengkon A dina Gambar 10a), nunjukkeun yén bahan substrat Ti6Al4V ruksak parah salila reciprocating. gerak. Nalika beban naek ka 40N, jero gully naek (tingali wewengkon B dina Gambar 10b), partikel abrasive ngaronjat gancang, sarta maké jeung simpangan lumangsung salila prosés maké substrat, jadi maké abrasive jeung maké napel pisan serius. Lamun beban 60N, sababaraha liang badag dihasilkeun dina beungeut maké (tingali wewengkon C dina Gambar 10c), sarta partikel abrasive ngumpulkeun dina beungeut scratch (tingali wewengkon D dina Gambar 10c). Ku alatan éta, beban ngaronjat bakal ngagancangkeun peeling tina bahan alloy titanium salila gesekan jeung prosés maké, sarta gesekan jeung kinerja maké tina alloy titanium pisan goréng. Li JN et al. [17] jeung Weng F. et al. [18] ogé kapanggih permukaan maké sarupa titanium alloy.

The Ni + 40% TiB2 lapisan cladding boga microhardness pangluhurna sarta lalawanan maké pangalusna. Ku alatan éta, lapisan cladding Ni + 40% TiB2 dina beungeut alloy titanium dipilih pikeun diajar mékanisme maké tina lapisan cladding laser. morfologi maké SEM tina lapisan cladding laser handapeun beban béda ditémbongkeun dina Gambar 11. The microhardness tina lapisan cladding laser ieu nyata ningkat, jadi kinerja maké tina lapisan cladding leuwih hadé ti nu ti alloy titanium. Salaku bisa ditempo ti Gambar 11a, jumlah partikel abrasive geus greatly ngurangan sarta ukuranana ogé geus jadi leuwih leutik (tingali wewengkon A dina Gambar 11a). Ieu alatan maké fase teuas NiB, TiB2 jeung TiO2 teuas [5]. Sababaraha struktur rubuh muncul dina lapisan cladding dipaké (tingali wewengkon B dina Gambar 11b). Strukturna sigana partikel fase teuas. The chip logam leutik anu belang alatan kapasitas beban-bearing tinggi maranéhanana, Ngahindarkeun formasi alur sarta goresan. Lamun beban naek ka 40 N, spalling lamellar leuwih gampang lumangsung, lebu abrasive tina lapisan cladding Ni + 40% TiB2 ngaronjat sacara signifikan, micropores muncul dina beungeut dipaké (tingali wewengkon C dina Gambar 11b), sarta maké abrasive jeung maké napel lumangsung dina waktos anu sareng. Salaku beban nambahan salajengna, lebu abrasive tina lapisan cladding mimiti nyebarkeun ka sakabéh beungeut dipaké, sarta jero tur rubak micropores ngaronjat (tingali wewengkon D dina Gambar 11b). Fenomena ieu sadayana nunjukkeun yén kalayan ningkatna beban, spalling rapuh janten langkung serius, sareng palapis komposit henteu cocog pikeun kaayaan beban anu luhur.

4 Kacindekan

Dina raraga ngaronjatkeun daya tahan maké tina alloy Ti6Al4V, palapis laser cladding ieu disiapkeun dina beungeut alloy titanium ku ngagunakeun Ni na TiB2 dicampur bubuk. Hasilna dipidangkeun di handap.

(1) Hasil XRD lapisan cladding laser némbongkeun yén lapisan cladding laser utamana diwangun ku TiB, TiB2, α-Ti, β-Ti, NiTi alloy solusi padet tur TiO2, sarta kalawan kanaékan rasio bubuk TiB2, fase TiB2. eusi naek salajengna.

(2) Lapisan cladding utamana diwangun ku fase elliptical hideung, fase jarum-kawas elongated jeung fase sélular sabudeureun. Fase elips hideung nyaéta TiB2, fase siga jarum nyaéta TiB, sareng fase sélular sabudeureunana nyaéta NiTi. Kalayan paningkatan tambahan TiB2, eusi TiB naék sareng partikel metalografi TiB janten langkung kasar.

(3) Nalika rasio bubuk TiB2 nyaéta 40%, microhardness tina lapisan cladding ngahontal maksimum 920. 8HV1. 0, nu ngeunaan 3 kali ti alloy Ti6Al4V. Kanaékan microhardness ngaronjatkeun daya tahan maké lapisan cladding. Nalika beban ningkat, peeling rapuh tina palapis komposit janten langkung serius, anu henteu cocog pikeun kaayaan beban anu luhur.