钛合金表面激光熔覆纯金属的机理研究

作     者：段志宇 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李名尧;苏钰

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：激光熔覆 钛合金 相图 元素扩散 摩擦磨损 

摘      要：为了更好的了解激光作用条件下各元素之间的扩散及作用机理，本文以纯金属粉末(Fe粉、Cu粉、Cr粉)作为熔覆材料，结合相图及凝固过程元素扩散模拟，分析体系可能产生的相及各相产生的机理。对今后熔覆材料元素的配比提供理论指导。采用纯金属粉末主要是为了避免过多元素的交互作用，造成分析过程的复杂性及影响结果的准确性。 利用热力学相图计算软件Thermo-Calc对熔覆材料及基体材料中元素进行了平衡相图的计算，得到Fe-Ti-Al-V、Cu-Ti-Al-V、Cr-Ti-Al-V体系平衡相图。结合相图分析结果，运用DICTRA软件对体系凝固过程元素扩散进行模拟分析。利用激光器(HL-5000型横流CO2)作为热源，在Ti6Al4V表面采用预置粉末的方式激光熔覆纯金属粉末Fe粉、Cu粉、Cr粉，制备熔覆层。并对熔覆层的微观组织、物相构成、增强相的生长机制、熔覆层的显微硬度及摩擦磨损性进行研究。 当熔覆材料为纯Fe粉时，熔覆层产生的Fe-Ti金属化合物为FeTi、Fe0.988Ti、FeTi。FeTi析出有三种途径：Fe在体系中含量小于38wt.%时，通过共析转变：β-Ti→FeTi+-Ti析出;Fe扩散量达到38wt.%7wt.%时，液相发生共晶转变：Liquid→FeTi+β-Ti，析出FeTi;当Fe过量时，液相匀晶转变析出FeTi，剩余液相与FeTi发生包晶转变：Liquid+FeTi→β-Ti+FeTi析出。Fe0.988Ti是在析出FeTi过程中，形成的中间相。当体系中Fe元素含量达到42.7wt.%时，会有FeTi产生。 当熔覆材料为纯Cu粉时，熔覆层由CuTi、CuTi、Ti(Cu、Al)2、Al2Cu3相组成。CuTi的生成主要有两种方式，当体系中Cu的含量小于20wt.%时，液相匀晶转变析出的β-Ti通过共析转变：β-Ti→-Ti+CuTi，析出CuTi;当体系中Cu的含量大于40wt.%时，液相发生共晶转变：Liquid→BCC+CuTi，析出CuTi。CuTi通过共析转变：β-Ti→-Ti+CuTi析出。 当熔覆材料为纯Cr粉时，熔覆层由(Ti)、CrTi及Cr1.97Ti1.07组成，熔覆层主要由片状、树枝状及细小针状组织组成。树枝晶主要Ti元素的富集，其生长方式主要是以树枝状方式长大;CrTi生成的方式有两种，当体系中Cr的含量小于15wt.%时，发生共析转变：β-Ti→-Ti+-CrTi，析出CrTi。当Cr的含量大于15wt.%时，发生共晶转变：Liquid→β-Ti+LAVES，析出CrTi。当体系中Cr的含量大于60wt.%时，只会析出CrTi，无Ti-Al金属间化合物析出。 熔覆层的显微硬度与耐磨性能都有了很大的提高，其强化机理主要为：一是熔覆层经历快速冷凝的过程发生淬火，使显微组织细小，提高熔覆层显微硬度;二是熔覆层产生的金属间化合物起到了作用，并且生成的化合物与凝固组织发生交互作用，对晶粒起到细晶强化的作用。