激光沉积镍钛涂层组织与摩擦学性能研究.pdf
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1、为了改善钛合金零件的耐磨性能,利用激光沉积技术在基体材料 TC4 上制备了 NiTi 合金涂层,通过优化工艺获得无裂纹、无气孔、且呈冶金结合的涂层。使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等技术手段对涂层的组织结构进行分析,对涂层的硬度、耐磨性等性能进行测试。结果表明:涂层的主要组织由树枝晶和等轴晶组成,涂层主要由 NiTi(B2)奥氏体母相组成,基体和涂层两种材料的硬度相差不大,NiTi涂层的摩擦系数与磨损失重均低于 TC4基体。在TC4 基体上制备 NiTi涂层可以显著改善摩擦磨损性能。关键词院 激光沉积曰 NiTi 合金曰 硬度曰 摩擦磨损中图分类号院 T
2、G174.4文献标识码院 A文章编号院 2095 原 0926(圆园23)02 原 园园32 原 园5Microstructure and tribological properties of laser deposited NiTi coatingsWANG Jiaming袁 LI Yang渊 National-Local Joint Engineering Laboratory of Intelligent Manufacturing Oriented Automobile Die&Mould袁TianjinUniversity of Technology and Educatio
3、n袁Tianjin 300222袁China 冤Abstract院In order to improve the wear resistance of titanium alloy parts袁 NiTi alloy coating was prepared on the matrixmaterial TC4 by laser deposition technology袁 and a crack-free袁 porosity-free and metallurgical coating was obtained byoptimizing the process.The microstructu
4、re of the coating was analyzed by optical microscope渊OM冤袁 scanning electronmicroscope(SEM),X-ray diffractometer(XRD)and other technical means,and the hardness,wear resistance and otherproperties of the the coating were tested.The results show that the main structure of the coating is composed of den
5、driteand equiaaxial crystal袁 and the coating is mainly composed of NiTi 渊B2冤 austenite parent phase.There is little differ鄄ence in hardness between the matrix and the coating袁 and the friction coefficient and wear weight loss of the NiTi coat鄄ing are lower than those of the TC4 substrate.The prepara
6、tion of NiTi coating on TC4 matrix can significantly improvethe friction and wear properties.Key words院 laser deposition曰 NiTi alloy曰 hardness曰 tribological wear激光沉积镍钛涂层组织与摩擦学性能研究王嘉明,李洋(天津职业技术师范大学汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室,天津300222)收稿日期院 2023-04-19基金项目院 天津市大学生创新创业训练计划项目(202110066090);天津职业技术师范大学科研启动项目(KYQ
7、D202207).作者简介院 王嘉明(2002),男,本科生.通信作者院 李洋(1991),男,讲师,博士,硕士生导师,研究方向为激光表面涂层技术,.NiTi 合金材料是由镍和钛组成的金属合金,也被称为形状记忆合金或者超弹性合金1。这种合金具有能够恢复其原始形状的特性,在受到外界刺激后可以回弹至其原始形状,且不会发生永久性变形。国内外的众多学者对形状记忆合金的医学和临床医学等方面的应用和研究开展了大量的工作,NiTi 合金材料不仅具有优异的记忆效应和超弹性的性能、良好的力学性能和高阻尼的特性,而且还具有优良的生物相容性、出色的耐蚀性和耐磨性、较高的抗疲劳性,因此NiTi 形状记忆合金被认为是医
8、用材料学方面的重大发现,这是一种难得的、具有生物功能的金属材料2-4。此外,由于 NiTi 合金优异的弹性和形状记忆的特性,在航空航天领域也得到了极大的重视。由于 NiTi 合金的难加工性,一些传统的加工方法很难制备出满足医疗或航空领域形状复杂的零件,如铸造、粉末冶金。表面涂层技术可以在各种形状复杂的第 33 卷第 2 期圆园23 年 6 月天 津 职 业 技 术 师范 大 学 学 报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATIONVol.33No.2Jun.2023DOI:10.19573/j.issn2095-0926.20
9、2302006第 2 期零件表面制备一层性能优异的涂层,且通过工艺参数的调节可以实现涂层内部组织和宏观性能的控制5-7。激光沉积技术是将高能激光束作为热源将待加工粉末和零件表层同时熔化,待凝固后形成一层具有冶金结合的涂层,进而对零件表面起到改性强化的作用。相比于其他的表面涂层技术,激光沉积技术在制备NiTi合金方面表现出了极大的优势:淤激光沉积技术制备涂层过程中熔池的冷却速度极快,涂层中的组织细小,可以对涂层起到细晶强化的效果;于激光束的能量密度极高,激光沉积技术可加工的材料范围很广;盂激光沉积涂层与基体之间为冶金结合,这极大地提高了涂层的可靠性;榆与传统的焊接方式相比,激光沉积对基体的热输入
10、较少,基体变形不明显。目前,激光沉积已广泛应用于航空航天、汽车、石油化工、电力机械等领域各类零件的表面修复与强化8,9。丰玉强等10研究了 Ni 含量对激光沉积 NiTi 合金涂层组织与性能的影响。研究发现,随着 Ni 的添加,55NiTi 涂层组织逐渐变致密,晶粒逐渐变细小。涂层的硬度由 775.5 HV 增加到 831.3 HV,涂层磨损失重由 11.9 g 降低为 10.7 g,涂层的硬度和耐磨性均得到了明显的改善。孙绪鲁11采用选择性激光沉积制备了 NiTi 涂层并采用正交实验的方法研究了工艺参数对涂层的耐腐蚀性能的影响。研究发现工艺参数的变化会影响激光束能量密度的变化进而影响到涂层的
11、质量。当激光功率为 120 W,扫描速度为 800 mm/s,舱口间距为 90 滋m 时,涂层的缺陷最少,耐腐蚀性能最优异。张弛一克12在镁合金表面利用激光沉积技术制备了 NiTi 涂层并研究了涂层的硬度、耐磨性等性能。研究发现,涂层质量良好且与基体呈现完美的冶金结合。NiTi 涂层的硬度高达650HV0.2 是镁合金基体硬度的 8 倍,此外,涂层的耐磨性也得到了极大改善。综上所述,通过激光沉积技术制备NiTi 涂层可以明显的改善零件的硬度和耐磨性,进而对零部件起到表面强化作用。为了改善 TC4合金的表面的摩擦学性能,本文利用激光沉积技术在TC4 材料表面制备了一层 NiTi 涂层,通过光学显
12、微镜研究涂层的微观形貌,通过物相分析仪研究涂层的物相组成,通过硬度实验和摩擦磨损实验测试涂层的宏观性能。1试验材料及方法本试验选择的基体材料为 TC4,主要化学成分如表 1所示。TC4 属于(琢+茁)型钛合金,具有良好的综合力学机械性能,导热率低。在试验前需对基材表面进行打磨处理,以避免表面的氧化物影响激光沉积涂层质量。本试验的涂层材料为 NiTi 合金,Ni Ti(at%)=11。这种材料在塑性变形后能在某一特定温度下恢复到原始状态。在试验前需对粉体材料进行干燥处理,在真空干燥箱内 120 益保持 2 h,确保 NiTi 合金粉末中的水分得到充分挥发,避免激光沉积涂层产生气孔。使用 RC-L
13、CD-400 激光沉积系统进行 NiTi 涂层的制备,涂层制备的工艺参数要求:激光功率 1 400 W,送粉率 3.5 g/min,扫描速 10 mm/s,搭接率 70%。通过高能激光束熔化具有特定性能的材料粉末,同时基体表层也被熔化,随着高能激光的移开,熔池迅速凝固并在基体材料表面形成冶金涂层,从而赋予其新的性能,如耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗氧化性能等。涂层制备完成后,把制备好的涂层进行电火花线切割,切割成 10 mm 伊 10 mm 伊 10 mm 的试样。将涂层的截面进行磨抛后用光学显微镜(Axiovert 40MAT)观察其宏观形貌和微观组织。将涂层表面用砂纸打磨后用以涂层的物相检测,
14、设备为 X忆Pert PRO X 射线衍射仪。涂层的硬度测试方法为:在涂层截面选取涂层表面下方 50 滋m 处测试 3 个硬度值,并计算出平均值。硬度测试的设备为 Micromet-6030,Chainmicro-Vickers硬度测定仪,载荷为 0.2 kg,加载时间为 10 s。将涂层表面用磨床简单打磨后用于摩擦磨损性能的测试,测试过程中实时记录涂层的摩擦系数,测试前后分别称取摩擦磨损试样的重量并计算差值。摩擦磨损设备型号为 UMT-5 摩擦磨损试验机,测试温度为室温,载荷为 5 N,测试时间为 30 min,对磨副为 6 mm 的 Al2O3磨球。使用 ZEISS Sigma300 扫描
15、电子显微镜观察磨痕的表面形貌,用以判断涂层的磨损机理。2结果与讨论2.1形貌分析图 1 是激光沉积技术制备的 NiTi 涂层的宏观形貌,通过激光沉积实验分别制备了单道涂层和多道搭接的涂层,从宏观角度观察涂层的成形表面可以发现,涂层成形良好,表面较为平整,无严重的沟槽与凸起结构,并没有发现有明显的裂纹、气孔等缺陷。NiTi涂层的 OM 形貌如图 2 所示。表 1TC4 的主要化学成分成分FeCNHOAlVTi含量 臆0.30 臆0.10 臆0.05 臆0.015 臆0.20 5.56.8 3.54.5 余量wt%王嘉明袁等院 激光沉积镍钛涂层组织与摩擦学性能研究33天 津 职 业 技 术 师范
16、大 学 学 报第 33 卷使用光学显微镜对试样截面进行观察,如图 2(a)所示,涂层的厚度约为 3035 滋m,涂层与基体材料呈现出良好的冶金结合,并且涂层与界面位置没有明显的缺陷,涂层组织致密。根据观察,界面处为一层明显的平面晶结构,涂层内部主要由树枝晶及等轴晶的共晶组织组成的。因激光沉积涂层凝固组织由 G/R 决定,其中 G 为温度梯度,R 为生长速度,涂层组织大致呈现出沿着散热方向生长的现象,使其生长为平面晶,涂层内部散热方向垂直于界面,大部分枝晶生长方向呈从底部到顶部的方向,涂层内部会出现较多的向上生长的树枝晶,到达涂层顶部会出现较多的等轴晶13-15。2.2物相分析图 3 为 NiT
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