钛合金表面激光熔覆纯金属的机理研究

【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、Fe2Ti。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.%47wt.%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Fe2Ti，剩余液相与Fe2Ti发生包晶转变：Liquid+Fe2Ti→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Fe2Ti产生。当熔覆材料为纯Cu粉时，熔覆层由CuTi2、CuTi3、Ti（Cu、Al）2、Al2Cu3相组成。CuTi2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+CuTi2，析出CuTi2；当体系中Cu的含量大于40wt.%时，液相发生共晶转变：Liquid→BCC+CuTi2，析出CuTi2。CuTi3通过共析转变：β-Ti→-Ti+CuTi3析出。当熔覆材料为纯Cr粉时，熔覆层由（Ti）、Cr2Ti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；Cr2Ti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+-Cr2Ti，析出Cr2Ti。当Cr的含量大于15wt.%时，发生共晶转变：Liquid→β-Ti+LAVES，析出Cr2Ti。当体系中Cr的含量大于60wt.%时，只会析出Cr2Ti，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。
【作者】段志宇；
【导师】李名尧；苏钰；
【作者基本信息】上海工程技术大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】激光熔覆；钛合金；相图；元素扩散；摩擦磨损；

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