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基于单道激光熔覆的钛基复合材料快速成形试验研究

作　者: 高明媛
导　师: 梁京
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: 激光快速成形钛基复合材料激光熔覆同步送粉 TiC TiB_x
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

为了增强钛合金表面的耐磨性,按照复合材料的发展趋势,本实验采用TC4(Ti-6A1-4V)粉和B4C粉/C+B粉混合粉作为钛合金表面激光熔覆材料,选用TC4合金作为基体材料,制备原位生成TiC和TiBx复合耐磨涂层,并进行激光快速成形钛基复合材料的探索性试验研究。本文主要以90%TC4+10%B4C(wt.%)粉末为原料,通过预置粉末法制备了单道熔覆层、多道搭接涂层；在此基础上,自行设计激光同步同轴送粉的分粉器、送粉头等装置,通过同步送粉激光熔覆工艺制备了单道熔覆层和单道三层熔覆层(激光快速成形单壁式板材试验样品),应用XRD、金相显微镜、SEM、TEM、EPMA、显微硬度测量仪、磨损试验机等多种分析手段对所制备的多种熔覆层的微观结构和性能进行了研究。通过一系列实验研究得到预置粉末法激光熔覆的优化工艺参数为：离焦量15mm,激光脉冲电流150A,激光扫描速度3.0mm/s。同步送粉法激光熔覆的优化工艺参数为：离焦量为20mm,激光脉冲电流250A,激光扫描速度为0.3mm/s；相应的送粉参数为：氩气送粉气流量为8L/min,送粉速率为9.97g/min,粉末与激光束交点略高于试样表面。试验结果表明：在优化参数下,各激光熔覆层均含有两种以上大量原位生成的陶瓷增强相,并且TC4粉末经激光扫描形成基底黏结相。其中,预置90%TC4+10%B4C (wt.%)粉末的单道激光熔覆层原位生成的增强相为TiC(枝晶状或弥散点)和TiB(针状),多道搭接涂层中还有少量的TiB2生成。多道搭接涂层的平均显微硬度(HV650)较基体(HV320)提高了一倍,其磨损失重量为0.0021g远低于基材TC4的磨损失重量(0.0077g),耐磨性较基体提高了三倍以上。通过热震试验表明基体与涂层之间结合牢固。相同配比的粉料以同步送粉法激光熔覆制得的涂层原位生成的主要增强相为TiB2,TiB。同时生成了少量TiC还有些未反应的B4C,其中TiB2显示为长棒状,及少量六棱柱状,TiB为细长棒状或细小针状。采用优化工艺参数通过同轴送粉成功制备TC4/(TiBx+TiC)激光快速成形钛基复合材料单壁板材试验样品,并对其显微组织进行了初步研究。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-28
  1.1 前言  12
  1.2 钛合金  12
  1.3 复合材料  12-14
    1.3.1 制备复合材料各方法的优缺点  13-14
  1.4 激光的发展  14
  1.5 激光熔覆  14-16
    1.5.1 激光熔覆和其他方法相比具有的优点  15
    1.5.2 激光熔覆粉料的供给方式  15
    1.5.3 激光熔覆材料的选择  15-16
  1.6 激光快速成形  16-19
    1.6.1 激光快速成形粉料的供给方式  17
    1.6.2 激光功率对激光快速成形熔覆层的影响  17-18
    1.6.3 扫描速度对激光快速成形熔覆层的影响  18
    1.6.4 线能量对激光快速成形熔覆层的影响  18
    1.6.5 △Z对激光快速成形熔覆层质量的影响  18
    1.6.6 搭接率对激光快速成形熔覆层质量的影响  18-19
    1.6.7 送粉率对激光快速成形熔覆层质量的影响  19
    1.6.8 粉末粒度对激光快速成形熔覆层质量的影响  19
    1.6.9 激光快速成形中的缺陷及控制  19
  1.7 国内的研究现状  19-24
    1.7.1 激光快速成形国内研究现状  19-20
    1.7.2 激光快速成形钛基复合材料研究现状  20-24
  1.8 国外的研究现状  24-26
    1.8.1 耐磨复合材料的研究  24-25
    1.8.2 高温耐磨抗氧化复合材料的研究  25-26
    1.8.3 强化复合材料的研究  26
  1.9 本实验的目的及意义  26-28
    1.9.1 实验意义  26-27
    1.9.2 实验目的  27-28
第2章实验方法  28-38
  2.1 实验材料  28-30
    2.1.1 基体材料  28-29
    2.1.2 激光熔覆表面预涂层材料  29-30
  2.2 激光熔覆实验  30-32
    2.2.1 激光熔覆实验原理  30
    2.2.2 激光熔覆实验设备  30-31
    2.2.3 激光实验参数  31-32
    2.2.4 实验样品预处理与预涂层的制备  32
  2.3 激光同步送粉制备涂层实验  32-35
    2.3.1 激光同步送粉制备涂层实验设备  32-33
    2.3.2 激光同步送粉制备涂层实验原理  33
    2.3.3 激光同步送粉制备涂层实验参数  33-35
    2.3.4 实验样品预处理  35
  2.4 激光制备样品的分析方法  35-38
    2.4.1 激光涂层表面形貌和显微组织观察  35-36
    2.4.2 激光涂层物相分析  36
    2.4.3 激光涂层元素测定  36
    2.4.4 样品的显微硬度测量  36-37
    2.4.5 样品的耐磨性能测试  37
    2.4.6 样品的涂层与基体结合力的测试  37-38
第3章单道激光熔覆层的研究  38-49
  3.1 单道激光熔覆样品的工艺参数  38
  3.2 单道激光熔覆涂层的分析  38-47
    3.2.1 单道激光熔覆层的形貌及组织分析  38-44
    3.2.2 单道激光熔覆层物相分析  44
    3.2.3. 激光熔覆显微硬度测量  44-47
  3.3 工艺参数对涂层组织及性能影响的分析与讨论  47-49
    3.3.1 相同激光功率下,不同扫描速度对涂层组织性能的影响  47
    3.3.2 相同扫描速度,不同功率下对涂层组织性能的影响  47-48
    3.3.3 组织结构对熔覆层性能的影响  48-49
第4章多道搭接激光熔覆涂层性能的研究  49-58
  4.1 多道搭接激光制备涂层工艺参数  49
  4.2 多道激光熔覆制备涂层分析  49-58
    4.2.1 多道激光熔覆制备涂层表面形貌和显微组织观察  49-51
    4.2.2 多道激光熔覆制备涂层物相分析  51-54
    4.2.3 多道激光熔覆制备涂层硬度测量与分析  54-56
    4.2.4 多道激光熔覆制备涂层耐磨性能的测量与分析  56
    4.2.5 多道激光熔覆制备涂层基体的结合力的研究  56-58
第5章激光同步送粉制备钛基复合涂层及其复合材料的探索  58-68
  5.1 激光同步送粉制备熔覆层的工艺参数  58
  5.2 激光同步送粉制备熔覆层分析  58-68
    5.2.1 激光同步送粉制备单层涂层组织的研究  58-60
    5.2.2 激光同步送粉制备单道三层熔覆层内部晶体结构的研究  60-63
    5.2.3 激光同步送粉制备涂层生成物质的分析  63-68
第6章结论  68-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
作者简介  75

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