激光熔覆AlCoCrFeNiTix高熵合金涂层微观组织和硬度研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)


在工业纯钛中加入少量合金元素(如Al、V、Mo、Cu、Si等)可以制备出不同性能的合金材料,这种材料就是所谓的钛合金[1],根据退火组织的不同,钛合金可分为α钛合金(型号TA)、β钛合金(型号TB)和α β钛合金(型号TC)。Ti6Al4V合金(型号TC)是一种α β钛合金,它兼有α钛合金和β钛合金的优点,综合力学性能非常优异,但是由于其高温耐磨性差和抗氧化性差,严重限制了其作为高温运动副零部件的应用,因此,如何有效提高其高温耐磨性和抗氧化性对钛合金的应用具有重要意义。

为了解决Ti6Al4V合金高温耐磨性差和抗氧化性差的缺点,一般有两种方法[2]:一、添加大量合金元素铸造或者粉末冶金,制备高硬度、耐磨损和高温抗氧化的钛合金,但是这样改变了钛合金的合金元素组成成分以及含量;二、表面改性技术。关于表面改性技术,李崇桂等人[3]发表的一篇综述中提到,常用的钛合金的表面改性方法主要包括化学热处理、离子注入、微弧氧化、电镀、气相沉积、热喷涂、激光表面合金化和激光熔覆等,虽然方法很多,但是相比于其他方法,激光熔覆因能量密度极高,与基体作用时间短,故基体熔深浅,涂层致密,热影响区小,并且还可以通过改变激光功率、扫描速度、光斑直径的大小来提高熔覆层质量[4], Zeng等[5]就采用Ti-BN-C混合粉末在Ti-6Al-4V合金表面激光熔融,成功地原位合成了Ti(C,N)/ TiB增强钛基复合材料层,提高了Ti-6Al-4V合金的耐磨性。因此,激光熔覆是一种很有应用前景的材料表面改性工艺。

关于涂层的选材方面,传统的以Ni、Co、Ti等为主元元素的金属基涂层性能不能满足钛合金在高温复杂条件下尤其是航空发动机中的使用要求,所以关于涂层粉末材料的选用,张艺等人[6]总结认为目前常见的粉末材料包括自熔性合金粉末、高熵合金粉末、复合材料粉末和陶瓷粉末等,其中高熵合金是近年来发展的新型高强合金之一,综合力学性能好。高熵合金最早是在1995年由台湾清华大学叶均蔚[7]率先提出的,并在2004年正式定义为高熵合金,该种合金多种元素均处于领导地位,由五种或五种以上元素近等摩尔比配比,经熔炼、烧结或者其他方法组合而形成具有金属特性的材料。与传统合金相比,高熵合金通常具有较高的强度和硬度、优异的耐磨性能、优秀的耐腐蚀性能和很好的高温性能等[8]。Liu等[9]研究了Al0.5CoCrCuFeNiSix(x = 0,0.4,0.8)高熵合金的微观结构、相组合和性能,发现随着Si含量x的增加,合金的抗压强度增加,而延展性降低;Tian等[10]制备了AlCoCrFeNiTi高熵合金涂层并测试了其性能,获得了高于50.3±8.5MPa的优异粘合强度,喷涂涂层的平均显微硬度为642HV,约为316不锈钢(173HV)的四倍,在700℃时,涂层表现出最优异的耐磨性,体积磨损率为0.23±0.02×10 -4 mm3 N -1 m -1,约为316不锈钢的九分之一;Zhang等[11]研究发现了AlxCoCrFeNiTi0.5高熵合金在0#8226;5M H2SO4水溶液中优异的耐腐蚀性能;Yu等[12]研究了AlCoCrFeNi和AlCoCrFeNiTi0.5高熵合金在齿轮油和多烷基化环戊烷(MACs)润滑条件下的摩擦学性能,发现与AlCoCrFeNi合金相比,AlCoCrFeNiTi0.5合金在100 N的低施加载荷下具有更好的耐磨性,但在200 N的高施加载荷下保持较低的耐磨性;吴波等[13]研究指出AlCoCrFeNiTi0.5在800~1100℃下具有优异抗氧化性,且合金氧化100 h后无明显相结构变化和高温软化现象。

基于高熵合金优异的性能以及激光熔覆技术可以使制备出的涂层变形量小、组织细小、结构致密,能保持熔覆材料本身的优异特性,因此,可以使用激光熔覆技术制备高熵合金材料,达到改善钛合金的表面性能的目的。

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