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TiAl（CN）MAX相复合涂层海水环境中磨蚀行为及腐蚀-磨损交互作用机理研究

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TiAl（CN）MAX相复合涂层海水环境中磨蚀行为及腐蚀-磨损交互作用...

作者：冯进宇贵州大学

学位级别：硕士

海洋环境中承受载荷的运动部件往往受到腐蚀和磨损的共同作用,从而加剧材料流失并导致零部件的失效破坏,给海工装备的可靠性带来严峻挑战。钛合金具有低密度、高比强度等特性,并且在海水及海洋大气等环境中具有较强的耐蚀性,因而被称之... 详细信息

海洋环境中承受载荷的运动部件往往受到腐蚀和磨损的共同作用,从而加剧材料流失并导致零部件的失效破坏,给海工装备的可靠性带来严峻挑战。钛合金具有低密度、高比强度等特性,并且在海水及海洋大气等环境中具有较强的耐蚀性,因而被称之为“海洋金属”并广泛应用于潜艇、深潜器等海工装备中。然而钛合金耐磨性较差,其表面保护性的钝化膜容易因摩擦的作用而被破坏,使得新鲜表面暴露在腐蚀性的环境中承受腐蚀与磨损的协同破坏,限制了钛合金在海工装备中的进一步应用。本文采用Ti4822钛合金和TiC、Al N陶瓷组成的二元化合物体系的混合粉末在TC4钛合金基体上通过激光熔覆技术制备了Ti-Al-(C,N)MAX相复合涂层,以提高钛合金表面耐蚀性与耐磨性。在研究TC4钛合金与复合涂层在人工海水环境中的腐蚀行为的基础上,获得了其在阴极保护条件下及腐蚀条件下的摩擦磨损行为、材料流失特征。得到如下主要结论:(1)通过对比不同激光熔覆工艺参数对熔覆涂层质量的作用,发现激光功率3000～3300W,扫描速度120mm/min,能够制备出无未熔颗粒、裂纹等缺陷并呈典型透镜状的Ti-Al-(C,N)MAX相复合涂层。熔覆层与基材呈良好的冶金结合,熔覆层的基体表现为致密的TiAl相短杆状组织,基体上主要分布着大量TiCN相树枝晶以及少量等轴晶,显微硬度可达TC4基体的2.04倍。(2)熔覆层的物相随着粉末配比的改变而不断变化,随着Al N/TiC含量比增加,熔覆层中TiC、TiAl C逐渐被Ti N、TiAl N所替代,固溶体TiCN由TiC中固溶N转变为Ti N中固溶C,即从TiCN变为TiCN,最后转变为TiCN。MAX相TiAl C与TiAl N主要存在于陶瓷相TiCN的边缘,当高熔点的TiCN从熔池中优先析出后,陶瓷相周围Ti-Al熔体中的Al原子逐渐向内部进行扩散,最终在其边缘反应形成一层MAX相的包壳结构。(3)在人工海水的浸泡初期,复合涂层与TC4钛合金表面钝化膜趋于致密,能够有效阻挡腐蚀性介质的进一步侵蚀。随着浸泡时间的延长,海水中具有较强还原性的活性阴极离子能够逐渐通过材料表面固有的缺陷溶解钝化膜并破坏其稳定性,导致钝化膜阻挡外部腐蚀性离子侵入以及界面双电层处电荷转移的能力逐渐减弱。复合涂层中增强相从熔池中析出后占据晶界处使得发生腐蚀反应的实际面积减小并且增强相颗粒能够延长腐蚀性离子扩散进入材料内部的路径,故与TC4钛合金相比,具有更低的腐蚀速率。(4)在摩擦过程中摩擦化学产物以及钝化膜的润滑作用,使得TC4与TCN2在腐蚀条件下的摩擦系数可较阴极保护条件下有所降低,当载荷增大至30N时,TC4与TCN2的稳态摩擦系数可降至0.32与0.28。TC4在人工海水中的磨损机制主要为粘着磨损,磨损体积为3.62×10mm,TCN2为磨粒磨损和腐蚀导致粘着磨损,磨损体积为3.24×10mm。(5)钝化膜去除-生成的动态行为使得腐蚀性介质通过材料表面缺陷向内部扩散,随着外加载荷由10N增大至30N,TC4与TCN2的自腐蚀电位约下降0.3V,腐蚀电流增大约两个数量级,并且TC4中纯摩擦体积损失量W由87.45%降至85.42%,协同作用量ΔW由12.55%增至14.58%,TCN中W由89.89%降至87.83%,ΔW由10.11%增至12.17%,因此TC4与TCN2在人工海水中的耐腐蚀磨损性能主要由其表面的耐磨性决定。

关键词：激光熔覆 Ti-Al-(C,N)复合涂层 MAX相腐蚀磨损协同作用

激光熔覆Ti-Al-N复合涂层高温氧化及摩擦磨损性能

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2023年第6期33卷 1779-1791页

作者：田雨鑫肖华强游川川冯进宇肖易周璇贵州大学机械工程学院贵阳550025

采用激光熔覆于TC4合金表面原位合成Ti-Al-N复合涂层,对比研究复合涂层及TC4基体的高温氧化行为及宽温域下的摩擦磨损性能。结果表明:复合涂层在800℃以下生成以TiO_(2)为主的多层膜,在900和1000℃下涂层氧化产物为TiO_(2)和Al_(2)O_(3... 详细信息

采用激光熔覆于TC4合金表面原位合成Ti-Al-N复合涂层,对比研究复合涂层及TC4基体的高温氧化行为及宽温域下的摩擦磨损性能。结果表明:复合涂层在800℃以下生成以TiO_(2)为主的多层膜,在900和1000℃下涂层氧化产物为TiO_(2)和Al_(2)O_(3)的混合氧化层,涂层表现出较好的抗高温氧化性能;由于氧化膜增厚及涂层中分布的Ti_2AlN自润滑相的作用,800℃时涂层摩擦因数降至0.2091,磨损率降至0.025×10^(-4)mm^3·N^(-1)·m^(-1)是TC4钛合金基体的1.43%。复合涂层在测试温度区间以磨粒磨损为主,高温条件下氧化物具有明显的润滑作用。

关键词：激光熔覆 Ti-Al-N复合涂层自润滑氧化磨粒磨损

TC4合金表面激光熔覆TiAl涂层的高温循环氧化行为

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中国有色金属学报 2023年第2期33卷 400-412页

作者：周璇肖华强赵欣鑫田雨鑫冯进宇肖易贵州大学机械工程学院贵阳550025

采用激光熔覆工艺在TC4基体表面制备了TiAl涂层,分别对TC4基体与TiAl涂层在600、800、900和1000℃下开展了循环氧化50 h实验,分析TC4基体与TiAl涂层在不同温度下的氧化动力学行为、氧化膜的物相、表面形貌及元素分布,并对其高温氧化机... 详细信息

采用激光熔覆工艺在TC4基体表面制备了TiAl涂层,分别对TC4基体与TiAl涂层在600、800、900和1000℃下开展了循环氧化50 h实验,分析TC4基体与TiAl涂层在不同温度下的氧化动力学行为、氧化膜的物相、表面形貌及元素分布,并对其高温氧化机理进行了阐述。结果表明:涂层氧化动力学曲线近似符合抛物线规律,且单位氧化质量增加和氧化速率均比TC4基体小。TiAl涂层在600、800、900和1000℃下的氧化质量增加分别为TC4基体的12.5%、20%、55.6%和35.7%。TiAl涂层的氧化产物主要为Al_(2)O_(3)和TiO_(2),在600~900℃之间氧化物均匀致密无破损,在1000℃下出现氧化膜的破损、剥落。TiAl涂层的氧化极限较TC4基体至少提高300℃,表现出优异的高温抗氧化性能。

关键词： TC4钛合金激光熔覆 TiAl涂层高温循环氧化氧化动力学

Ti-Al-(C,N)复合涂层在模拟海水中的耐磨耐蚀性能

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中国有色金属学报 2023年第4期33卷 1220-1231页

作者：冯进宇肖华强任丽蓉肖易田雨鑫周璇贵州大学机械工程学院贵阳550025 贵州民族大学机械电子工程学院贵阳550025

采用激光熔覆技术于TC4表面制备了Ti-Al-(C, N)复合涂层,利用电化学工作站与摩擦磨损试验机对TC4与复合涂层在模拟海水环境中的电化学性能以及摩擦磨损性能进行测试,探究复合涂层在模拟海水环境中的腐蚀、磨损机理。结果表明:复合涂层... 详细信息

采用激光熔覆技术于TC4表面制备了Ti-Al-(C, N)复合涂层,利用电化学工作站与摩擦磨损试验机对TC4与复合涂层在模拟海水环境中的电化学性能以及摩擦磨损性能进行测试,探究复合涂层在模拟海水环境中的腐蚀、磨损机理。结果表明:复合涂层的自腐蚀电位为-0.14 V,腐蚀电流密度为9.75×10^(-8) A/cm^(2),表现出良好的耐腐蚀性能;在为期30 d的浸泡过程中,复合涂层与TC4表面钝化膜均会因腐蚀性离子的吸附而被破坏,造成表面钝化膜阻抗逐渐降低;均匀而致密的复合涂层相比TC4具有更好的减摩耐磨性,其平均摩擦因数为0.28,磨损机制主要表现为磨粒磨损和少量黏着磨损,磨损体积较TC4减少15.2%。

关键词：激光技术 MAX相复合涂层耐蚀性耐磨性

三维网络Ti_(2)AlC/Mg基复合材料制备及阻尼性能

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粉末冶金技术 2023年第4期41卷 372-377,384页

作者：肖易肖华强何佳容冯进宇游川川赵鑫鑫贵州大学机械工程学院贵阳550025

采用前驱体法制备Ti_(2)AlC多孔陶瓷预制体,通过辅助压力浸渗工艺制备出组织致密的三维网络相互贯通的Ti_(2)AlC/Mg基复合材料。利用扫描电镜和X射线衍射仪分析复合材料的微观组织和物相组成,使用机械振动分析仪测试复合材料阻尼性能。... 详细信息

采用前驱体法制备Ti_(2)AlC多孔陶瓷预制体,通过辅助压力浸渗工艺制备出组织致密的三维网络相互贯通的Ti_(2)AlC/Mg基复合材料。利用扫描电镜和X射线衍射仪分析复合材料的微观组织和物相组成,使用机械振动分析仪测试复合材料阻尼性能。结果表明,复合材料具有宏观上及微观上双尺度的三维网络结构。恒定温度条件下,复合材料在1 Hz和10 Hz测试条件下的最高损耗正切值分别为0.13和0.15,相比于基体AZ91D镁合金分别提高了约30%和67%,其阻尼表现增强。恒定应变条件下,在最高测试温度时,复合材料出现最大损耗正切值。两种测试条件下,复合材料存储模量均高于基体AZ91D镁合金。从内耗值-存储模量二者平衡的角度来看,复合材料不仅具有更宽的应用温度范围,也具有更好的阻尼-强度平衡性。

关键词： Ti_(2)AlC/Mg基复合材料前驱体法三维网络结构阻尼性能

TC4钛合金表面激光熔覆Ti-Mo-Al-B复合涂层的组织及摩擦磨损性能

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材料导报 2023年

作者：肖华强尹星贵冯进宇肖易龚玉婷贵州大学机械工程学院

为了改善TC4合金的表面耐磨性能，采用激光熔覆技术在TC4合金表面制备出Ti-Mo-Al-B复合涂层。研究分析了涂层的物相组成及微观组织结构，揭示了复合涂层的合成机理，结合其组织特征分析了涂层的硬度分布，研究分析了不同载荷下涂层的摩... 详细信息

为了改善TC4合金的表面耐磨性能，采用激光熔覆技术在TC4合金表面制备出Ti-Mo-Al-B复合涂层。研究分析了涂层的物相组成及微观组织结构，揭示了复合涂层的合成机理，结合其组织特征分析了涂层的硬度分布，研究分析了不同载荷下涂层的摩擦磨损性能。结果表明，复合涂层与基体之间形成了良好的冶金结合，复合涂层主要由BCC固溶体基体相、短杆状和颗粒状TiB增强相以及少量α-Ti相组成。涂层的平均硬度为648.69 HV，较基体TC4合金(330 HV)提升了1.97倍。涂层的磨痕表面平整且犁沟较少，在载荷为30 N时，磨损量相较TC4基体减少了11％，其磨损机制为磨粒磨损。

关键词：激光熔覆复合涂层显微组织合成机理 TC4 摩擦磨损

三维连续网络Ti_(2)AlC/TiAl复合材料高温摩擦磨损行为研究

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稀有金属材料与工程 2021年第11期50卷 4066-4072页

作者：冯进宇肖华强赵思皓肖易游川川赵欣鑫贵州大学机械工程学院贵州贵阳550025

采用真空热压制备了三维连续网络Ti_(2)AlC/TiAl复合材料,在明晰其高温氧化行为的基础上,利用摩擦磨损试验机对复合材料的高温氧化磨损行为及其机理进行了研究。结果表明,高温氧化条件下,复合材料表面在600℃以下生成Al_(2)O_(3)藓状氧... 详细信息

采用真空热压制备了三维连续网络Ti_(2)AlC/TiAl复合材料,在明晰其高温氧化行为的基础上,利用摩擦磨损试验机对复合材料的高温氧化磨损行为及其机理进行了研究。结果表明,高温氧化条件下,复合材料表面在600℃以下生成Al_(2)O_(3)藓状氧化物,在800℃时生成TiO_(2)聚集团以及TiO_(2)和Al_(2)O_(3)的氧化物混合层;随着温度的升高,氧化膜的润滑作用使得摩擦系数降至0.3237,基材的软化与TiO_(2)聚集团的突出生长使得磨损速率逐渐升至4.5×10^(-4) mm^(3)/(N·m),磨损机理由磨粒磨损转变为磨粒磨损与氧化磨损的混合磨损。

关键词：粉末冶金金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能高温自润滑

TC4表面激光熔覆Ti-Al-(C, N)复合涂层的组织与力学性能

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中国激光 2022年第2期49卷 159-167页

作者：冯进宇肖华强肖易游川川赵欣鑫田雨鑫周璇贵州大学机械工程学院贵州贵阳550025

为了改善TC4合金的表面性能,在TC4表面预置不同成分的复合粉末,采用激光熔覆工艺制备了Ti-Al-(C, N)复合涂层。通过对涂层的物相组成及微观组织结构进行分析,揭示了复合涂层的合成机理,并结合复合涂层的组织结构特征分析了其硬度分布。... 详细信息

为了改善TC4合金的表面性能,在TC4表面预置不同成分的复合粉末,采用激光熔覆工艺制备了Ti-Al-(C, N)复合涂层。通过对涂层的物相组成及微观组织结构进行分析,揭示了复合涂层的合成机理,并结合复合涂层的组织结构特征分析了其硬度分布。结果表明:熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合;熔覆层主要由基体相Ti_(x)Al_(y)和树枝晶TiC_(1-x)N_(x)组成;激光快速熔凝过程中Al元素扩散进入TiC_(1-x)N_(x)相枝晶边缘形成MAX相;合适的粉末配比能使熔覆层的组织细小致密,熔覆层的最高硬度为基体的2.04倍。

关键词：激光技术激光熔覆复合涂层显微组织合成机理

TC4表面激光熔覆TiAl合金涂层的工艺和组织性能

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激光技术 2021年第6期45卷 697-702页

作者：赵欣鑫肖华强游川川冯进宇肖易贵州大学机械工程学院贵阳550025

为了实现TC4钛合金表面TiAl合金涂层的大面积制备及实际应用,采用激光熔覆的方法在TC4钛基体上制备单道和搭接的TiAl合金涂层。通过表面形貌和界面特征分析了涂层的熔覆质量,对涂层的物相组成与显微组织进行研究,测试了熔覆层界面及搭... 详细信息

为了实现TC4钛合金表面TiAl合金涂层的大面积制备及实际应用,采用激光熔覆的方法在TC4钛基体上制备单道和搭接的TiAl合金涂层。通过表面形貌和界面特征分析了涂层的熔覆质量,对涂层的物相组成与显微组织进行研究,测试了熔覆层界面及搭接层之间的硬度分布。结果表明,涂层与基体之间属于冶金结合,涂层内部没有裂纹和孔隙等缺陷,涂层中Ti/Al主要以TiAl(γ)、Ti_(3)Al(α_(2))以及与微量元素的化合物形式存在,涂层主要由双态组织和片层组织组成,测试得到单道熔覆涂层和搭接涂层平均硬度是基体的1.44倍以上,多道搭接涂层的组织分布相比单道涂层更加均匀;涂层可进行大范围的多道搭接熔覆,证明了TiAl涂层对TC4基体表面改性方法可行性。该研究对于实现涂层的实际应用具有重要意义。

关键词：激光技术 TiAl涂层激光熔覆组织分析搭接熔覆