激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究进展

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强等显著优点,在航空航天、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。然而,钛合金硬度低、耐磨性差,严重制约其在摩擦工况下的使用寿命。激光熔覆技术具有生产效率高、热影响区窄、结合强度高、组织致密等优势,被广泛用于钛合金零部件表面改性和熔覆修复。高硬、高模量碳化钛的热物性参数与钛合金基材相近,常被选作激光熔覆钛基复合涂层的增强相,以提高其耐磨性。介绍了碳化钛的晶体结构、生长形态和性能特点。综述了碳化钛增强钛基激光熔覆材料体系以及工艺参数对熔覆层成形质量、宏观形貌和微观组织的影响。重点从碳化钛增强相的分布、数量、尺度以及相结构等方面,论述了碳化钛增强钛基激光熔覆层的组织特征,同时阐述了碳化钛强化机制,讨论了碳化钛增强钛基激光熔覆层组织特征与耐磨性能的内在关联性。最后提出了目前激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究中存在的问题与展望。

激光熔覆TiC_(x)增强钛基复合涂层组织与增强相第一性原理研究

采用同轴送粉激光熔覆技术原位合成了碳化钛(TiC_(x))增强钛基复合涂层。运用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、显微硬度计等表征与测试方法,同时结合第一性原理研究了NiCr-Cr_(3)C_(2)添加量与复合涂层微观组织和显微硬度的内在关联性,探究了C/Ti原子比对TiC_(x)力学性能及热力学稳定性的影响规律。结果表明复合涂层的微观组织主要由β-Ti型有序固溶体(基体相)和TiC_(x)(增强相)组成。NiCr-Cr_(3)C_(2)添加量对复合涂层中碳化钛的含量、尺度、形态特征有显著影响,且复合涂层上部和下部区域的碳化钛组织存在显著差异。TiC_(x)的C/Ti原子比与其形态具有高度相关性,复合涂层中TiC_(x)主要包括异形TiC_(0.2-0.4)、树枝状TiC_(0.4-0.6)、花瓣状TiC_(0.6-0.8)及类球状TiC_(0.8-1.0)。此外随NiCr-Cr_(3)C_(2)添加量增加,复合涂层硬度显著提高,主要归因于更多TiC_(x)形成、TiC_(x)中C含量增加及更加显著的固溶强化作用。基于第一性原理的分析表明随C/Ti原子比增加,TiC_(x)体积模量、剪切模量、拉伸模量及硬度显著提高,而泊松比逐渐减小,且随TiC_(x)中C原子含量增加,其金属性减弱,脆性增加,但晶体结构稳定性及热力学稳定性显著增强。