钛合金表面上两种镍基合金粉的激光熔覆研究

钛合金表面上两种镍基合金粉的激光熔覆研究
St udy of Laser Cladding Two Ni2base Alloy
Powders on Titanium Alloy
耿　林,孟庆武,郭立新
(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)
GEN G Lin,M EN G Qing2wu,GUO Li2xin
(Harbin Instit ute of Technology,Harbin150001,China)
摘要:分别以NiCrBSi和NiCoCrAl Y为预涂粉,采用CO2激光器,在Ti26Al24V合金表面进行激光熔覆镍基合金涂层的研究。

通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对涂层进行分析,对比两种镍基合金粉的激光熔覆性能。

分析发现,NiCrBSi涂层组织以γ2Ni为基体,含有Ni3B,TiB2,TiC,CrB等多种增强相,而NiCoCrAl Y涂层组织主要为固溶多种元素的Ni基过饱和固溶体。

NiCoCrAl Y涂层组织以固溶强化和细晶强化为主,NiCrBSi涂层组织以第二相强化为主。

虽然NiCoCrAl Y粉比NiCrBSi粉的激光吸收率高,可以得到较厚的涂层,但是含有多种硬质增强相的NiCrBSi涂层硬度高于NiCoCrAl Y涂层。

关键词:激光熔覆;涂层;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;钛合金
中图分类号:TB333 文献标识码:A 文章编号:100124381(2005)1220045203
Abstract:U sing a CO2laser,a process of cladding Ni2base alloy coatings on Ti26Al24V wit h pre2 placed NiCrBSi and NiCoCrAl Y powders was st udied1The coatings were examined using XRD, SEM and EDS1The quality of two Ni2base coatings wit h different powders was compared1NiCrBSi coating was compo sed ofγ2Ni mat rix and CrB,Ni3B,TiB2and TiC reinforcement s1NiCoCrAl Y coating mainly consisted of Ni2base supersat urated solid solution1NiCoCrAl Y coating was st rengt h2 ened wit h solution strengt hening and grain refinement1NiCrBSi coating was mainly st rengt hened wit h several reinforcement s1Alt hough laser absorptivity of NiCoCrAl Y powder was higher t han t hat of NiCrBSi powder and t hick NiCoCrAl Y coating can be obtained,hardness of NiCrBSi coating containing several reinforcement s was higher t han t hat of NiCoCrAl Y coating1
K ey w ords:laser cladding;coating;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;titanium alloy
钛合金虽已在航空和航天部门广泛使用,但由于摩擦系数大、耐磨性差,其工程应用范围仍受到限制。

利用高能激光束对材料表面的瞬间加热和熔池快速冷却的特性,在钛合金表面用激光熔覆一层增强材料,能够显著改善钛合金的表面性能[1-3]。

NiCrBSi和NiCoCrAl Y合金粉都是常用的热喷涂材料[4,5]。

其涂层致密、结合强度大、耐腐蚀和气蚀、耐高温、抗氧化性能优良。

目前,用这两种镍基合金粉在钛合金表面上进行激光熔覆的研究报导并不多。

为了探索这两种镍基合金粉的激光熔覆性能,本工作尝试用NiCrBSi和NiCoCrAl Y作为预涂粉,在钛合金表面上进行激光熔覆涂层的工艺研究。

1　实验材料及方法
111　实验材料
基体材料采用Ti26Al24V合金。

原料切割成<30mm×8mm的圆片状试样,试样待熔覆表面经水砂纸磨削加工,熔覆前用丙酮清洗干净。

预涂层材料为NiCrBSi和NiCoCrAl Y合金粉。

NiCrBSi为自熔性合金粉,熔点为1100℃,化学成分如表1所示。

NiCoCrAl Y是复合合金粉,熔点为1400℃,化学成分如表2所示。

两种合金粉的粒度范围均为50～100μm,颗粒形貌见图1和图2。

112　激光工艺
将预涂合金粉末与有机粘合剂混成膏剂,均匀涂在试样表面,并在90℃下烘干2h。

实验选定两种预涂
表1　NiCrBSi合金粉的化学成分
Table1　Chemical composition of NiCrBSi alloy powder
Element Cr B Si C Fe Ni
Mass
fraction/%
15～203～53～61<5Bal
表2　NiCoC rAlY 合金粉的化学成分
Table 2　Chemical composition of NiCoCrAl Y powder
Element Cr Co Al Y 2O 3Ot hers Ni Mass fraction/%
14～16
5～6
4～6
1～2
4～5
Bal
图1　NiCrBSi 合金粉形貌
Fig 11　SEM morphology of NiCrBSi
powder
图2　NiCoCrAl Y 合金粉形貌
Fig 12　SEM morphology of NiCoCrAl Y powder
层厚度,分别为016mm 和018mm 。

激光熔覆实验采用CO 2工业激光器。

激光熔覆工艺参数为激光器输出功率为750W ,光斑直径为<3mm ,扫描速度为5mm/s 。

选定好工艺参数,对预涂层进行激光熔覆。

为评价合金粉的可熔覆性,在激光熔覆过程中不用氩气对熔池吹扫保护。

113　涂层分析
把激光熔覆后的试样沿涂层横截面切开,经过磨
制和抛光,通过S 2570型扫描电子显微镜(SEM )和TN 25502型能谱仪(EDS )进行形貌和组织分析;金相
试样的腐蚀剂为20%HNO 3+30%HF +50%H 2O (体积分数),腐蚀时间为1min 左右;通过Philip 型X 射线衍射仪(Cu K α)对涂层进行相分析;硬度测试采用HVS 21000型显微维氏硬度计,所用载荷为012kg ,
加载保持时间为15s 。

2　实验结果与分析
211　涂层宏观形貌
表3统计了两种合金粉末材料在不同预涂层厚度下的激光涂层宏观形貌。

当预涂层厚度为016mm
时,两种预涂材料均能得到连续涂层。

当预涂层厚度增大到018mm 时,NiCoCrAl Y 材料能得到连续涂层,而NiCrBSi 材料不能得到连续涂层。

可见,预涂层材料不同,得到的连续涂层厚度也不同,NiCo 2CrAl Y 涂层要比NiCrBSi 涂层厚一些。

表3　激光熔覆涂层的宏观形貌
Table 3　Macro 2morphology of laser cladding coatings
Pre 2placed
material
Thickness of pre 2placed layer/mm
Macro 2morphology of laser cladding coatings NiCrBSi
016
Continuous ,little protuberant 018Powder melted incompletely ,
spicate coating NiCoCrAl Y
016Continuous ,little protuberant 018
Continuous ,little protuberant
激光涂层厚度不同主要是由于两种粉末材料对激光的吸收率不同造成的。

激光熔覆时,照射的激光能量并不能被预涂层材料完全吸收,预涂层只吸收一
部分能量,反射其余能量。

由于激光的作用深度很小(10～20μm ),材料对激光的吸收率受材料表面粗糙度影响较大。

由图1,2可见,NiCrBSi 颗粒表面光滑,粗糙度很小,对激光的吸收率较低;而NiCoCrAl Y 颗粒表面粗糙,对激光的吸收率高。

这样,在相同激光功率密度条件下,NiCoCrAl Y 预涂层吸收的能量比NiCrBSi 高,因而可以熔透较厚的预涂层。

212　涂层微观组织 图3为NiCoCrAl Y 涂层的微观组织形貌。

涂层组织呈胞状或花瓣状,组织均匀、致密、无气孔和第二相夹杂。

胞状组织的能谱分析结果如表4所示。

组织中主要含Ni ,还含有部分Cr ,Ti ,Co ,Al 等元素。

从分析结果可知,熔覆过程中钛合金基体中的Ti 元素大量进入了涂层中。

但快速加热并冷却的过程造成很多元素来不及析出和偏聚。

因此,可以判断出NiCoCrAl Y 涂层组织是固溶了Cr ,Ti 等多种元素的Ni 基过饱和固溶体。

从晶粒大小可以看出,激光熔覆的快速冷却也使得涂层的组织得到了细化。

图4为NiCrBSi 涂层的微观组织形貌。

涂层组织
图3　NiCoCrAl Y 涂层的微观组织
Fig 13　Microstructure of NiCoCrAl Y coating
表4　NiCoCrAlY 涂层组织的化学成分
Table 4　Chemical composition of NiCoCrAl Y coating
Element Ni Al Ti V Cr Co Mass fraction/%
66104
1109
14158
0165
15137
21
26
图4　NiCrBSi 涂层的微观组织
Fig 14　Microstructure of NiCrBSi coating
的基体为枝晶状,含有多种颗粒状和晶须状的增强相。

为了鉴定涂层的相组成,进行了X 射线衍射分析
(见图5)。

由于激光熔覆的快速加热和冷却造成涂层组织的固溶度大,残余应力高,再加上涂层的元素种类很多,使得X 射线衍射结果标定难度很大。

经过认真核对,确定涂层的相是以γ2Ni 为基体的含有TiB 2,TiC ,CrB ,Ni 3B ,Ti 3Al 等增强相的复合组织。

由于TiB 2,TiC 等增强相属于高硬度陶瓷,含有这些增强
相的NiCrBSi 涂层硬度必然得到很大提高。

213　熔覆层硬度
两种镍基合金涂层的显微维氏硬度测试结果如图6,7所示。

钛合金基体的平均硬度为HV340,热影响区的硬度为HV410。

NiCrBSi 涂层的硬度范围为HV950～1100,NiCoCrAl Y 涂层的硬度范围为HV900～1000。

两种镍基合金涂层的硬度是钛合金基
体的3倍。

由图可知,NiCrBSi 涂层的硬度比NiCoCrA 2
l Y 涂层的硬度略高一些,这是由于NiCrBSi 涂层中存在多种高硬度增强相,
使得其硬度得到进一步提高。

图5　NiCrBSi 涂层组织的XRD 图谱
Fig 15　XRD spectrum of NiCrBSi
coating
图6　NiCrBSi 涂层的硬度分布
Fig 16　Microhardness distribution of NiCrBSi
coating
图7　NiCoCrAl Y 涂层的硬度分布
Fig 17　Microhardness distribution of NiCoCrAl Y coating
214　强化机制分析
采用激光熔覆技术在两种镍基涂层中均能产生
固溶强化和细晶强化效应。

另外,NiCrBSi 涂层中还含有TiB 2,TiC ,CrB ,Ni 3B ,Ti 3Al 等高硬度增强相。

这些硬质第二相的强化效果要大于固溶强化和细晶强化。

因此,NiCoCrAl Y 涂层主要以固溶强化和细晶强化为主,NiCrBSi 涂层以第二相强化为主。

这些强
(下转第52页)
高,材料的压电性能不好。

稳定性较差。

烧成温度过低时,谐振频率的变化率往往偏负。

提高烧成温度可以使正温范围的变化率提高,负温范围的变化率降低。

因此通过控制烧成温度可以部分地调正频率温度特性。

3　结论
(1)烧结温度为1240℃时,陶瓷材料综合性能达最佳值:εT33/ε0=1420,d33=324p C/N,K p=62%, Q m=2400,tanδ=010029。

(2)准同型相界附近,谐振频率随温度变化较小。

烧成温度对温度稳定性有一定影响。

提高烧成温度可以使正温范围的谐振频率变化率提高,负温范围的变化率降低。

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基金项目:国家自然基金委重点基金资助项目(10232030)
收稿日期:2004209216;修订日期:2005202227
作者简介:陆翠敏(1977-),女,博士研究生,从事压电陶瓷研究,联系地址:天津大学材料科学与工程学院(300072)。

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(上接第47页)
化因素使得两种镍基涂层的硬度比钛合金提高很多,因而也就提高了其表面耐磨性。

3　结论
(1)NiCoCrAl Y涂层的微观组织呈胞状,主要由固溶了Cr,Ti等多种元素的Ni基过饱和固溶体组成。

NiCrBSi涂层的微观组织以枝晶状的γ2Ni为基体,含有颗粒状和晶须状的TiB2,TiC,CrB,Ni3B, Ti3Al等多种增强相。

(2)NiCrBSi涂层的硬度为HV950～1100,NiCo2 CrAl Y涂层的硬度为HV900～1000。

两种镍基合金涂层的硬度是钛合金基体硬度的3倍。

NiCrBSi涂层的硬度比NiCoCrAl Y涂层的硬度略高一些。

(3)NiCoCrAl Y涂层主要以固溶强化和细晶强化为主,NiCrBSi涂层以第二相强化为主。

这些强化因素使得两种镍基涂层的硬度比钛合金提高很多,因而也就提高了其表面耐磨性。

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收稿日期:2004210218;修订日期:2005201203
作者简介:耿林(1964-),男,教授,博士生导师,主要从事金属基复合材料方面的研究工作,联系地址:哈尔滨工业大学材料学院433#(150001)。

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