氩弧熔覆原位合成多相颗粒增强钛基复合涂层组织及耐磨性研究

作     者：李成硕 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：孟君晟;王日东

授予年度：2023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：石墨烯 La2O3 钛基复合涂层 氩弧熔覆 耐磨性 

摘      要：随着我国科学技术的不断发展,工业领域对金属材料的质量与性能提出了更高的要求,而影响金属材料质量关键的是磨损失效。TC4合金因具有高比强度、轻量化等特点,被广泛应用在船舶工业领域,但耐磨性差、硬度低的缺陷限制了TC4合金在工业中的实际应用。因此,本文以Ti粉、BN粉、石墨烯粉以及稀土LaO粉为熔覆粉末,采用氩弧熔覆技术在TC4合金表面制备了的Ti+BN+G/LaO复合涂层。借助X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪、摩擦磨损试验机等设备,研究了氩弧熔覆的工艺参数、石墨烯以及LaO含量对Ti+BN+G复合涂层组织及性能的影响规律。固定Ti与BN粉末的摩尔3:2,通过研究不同熔覆工艺参数下涂层的表面形貌及显微硬度,结果表明:在熔覆电流为100 A、熔覆速度为3 mm/s、氩气流量为10 L/min、预置粉末厚度为1 mm的条件下,制备的涂层表面平整、无明显缺陷且呈金属光泽,显微硬度较高。为了提高TC4合金涂层表面的硬度与耐磨性,研究了石墨烯含量(0wt.%、1wt.%、3wt.%、5wt.%、7wt.%)对Ti+BN+G涂层组织及性能的影响。研究发现,随着石墨烯的加入,涂层中的增强相由Ti N转变为Ti(N、C)。根据热力学及休莫-罗塞里条件分析,熔池中的C元素与N元素无限固溶发生了置换,断续形核生成了Ti(N、C),组织在一定程度上得到细化。随着石墨烯含量增多,熔池中C元素增多使得Ti(N、C)颗粒增强相持续长大,涂层组织逐渐粗大,降低涂层的性能。当石墨烯含量为5wt.%时,涂层组织细化最为明显,显微硬度较基体提升了3倍,耐磨性提升4.7倍,涂层的磨损机制为磨粒磨损和轻微黏着磨损,因此,石墨烯含量为5wt.%时,Ti+BN+G涂层具有最佳的力学性能。在石墨烯含量为5wt.%的基础上,通过添加不同含量的稀土LaO(1wt.%、2wt.%、3wt.%、4wt.%、5wt.%)来进一步改善涂层的性能。研究发现,稀土LaO的添加并不影响复合涂层中的相组成,复合涂层中的增强相由颗粒状、枝晶状Ti(N、C)和针棒状Ti B组成。通过面扫描分析可知,稀土La元素均匀分布在复合涂层中,抑制了组织的生长,起到细化晶粒的作用。随着LaO含量的增多,复合涂层组织逐渐细化,当LaO含量为4wt.%时,复合涂层中组织细化效果最佳且分布更均匀、致密,复合涂层性能得到进一步优化,与基体相比复合涂层的显微硬度提高了3.7倍,耐磨性提高了9.6倍,磨损机制为磨粒磨损。当LaO含量为5wt.%时,复合涂层组织粗大、分布不均,反而降低了复合涂层的硬度与耐磨性。