激光表面复合合金化对钛合金高温性能的影响.docx

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激光表面复合合金化对钛合金高温性能的影响

摘要

TC4合金是国际上一种通用型钛合金，其用量占钛合金总消耗量50％左右。

TC4合金是钛合金中最具代表性的材料。

因此也最具有研究价值。

TC4合金具有良好的低温性能，可制作在-196°C下使用的低温容器。

但是随着工业技术的不断发展，对钛合金的使用工作环境要求不断提高。

传统的钛合金的一些突出弱点如硬度低，耐磨性差，特别是高温下易氧化限制了其应用范围。

钛合金的抗氧化性能主要取决于在服役条件下表面能否形成致密的保护性氧化膜。

当工作温度超过600°C时，TC4钛合金中含有6％左右的铝不足以在表面形成连续致密的Al2O3氧化膜，氧化时形成由多孔的TiO2为主的氧化膜，抗氧化能力差。

本次设计的题目是激光表面复合合金化对钛合金高温性能的影响，文中主要研究利用激光表面合金化技术在TC4合金表面制备Ti-Al-Nb-Si合金化层，利用合金化层在高温氧化环境中形成具有保护性的氧化膜来改善TC4合金的抗高温氧化性和摩擦磨损性，以此来提高TC4合金在高温环境下的使用性能。

关键词：

TC4；钛合金；材料；性能

Abstract

窗体顶端

TC4alloyisauniversalinternationaltitaniumalloy,thetotalconsumptionwhichaccountsforabout50%titanium.TC4titaniumalloyisthemostrepresentativeofthematerial.Therefore,mostresearchvalue.TC4alloyhasgoodlowtemperatureperformance,canbemadeat-196°Ccryogenicvesselsunderuse.However,withthecontinuousdevelopmentofindustrialtechnology,theuseoftitaniumworkenvironmentincreasingdemands.Someprominentweaknessesoftraditionaltitaniumalloyssuchaslowhardness,poorwearresistance,especiallyathightemperatureseasilyoxidizedlimitsitsscopeofapplication.Antioxidantpropertiesoftitaniumalloysdependsmainlyontheconditionsofserviceunderadenseprotectiveoxidefilmsurfacecanbeformed.Whenthetemperatureexceeds600°C,about6%ofthealuminumalloycontainsinsufficientTC4Al2O3oxidefilmonthesurfaceofadensecontinuousformationofaporousTiO2-basedoxidefilmformedoxidation,antioxidantcapacityispoor.

 Thetopicistheimpactofdesignlasersurfacealloyingofhigh-temperaturepropertiesofcompositetitanium,thepapermainlystudiesusinglasersurfacealloyingtechnologyinthepreparationofthesurfaceofTC4alloyTi-Al-Nb-Sialloylayer,theuseofalloyedlayerathightemperaturesprotectiveoxidefilmformedinoxidizingenvironmenttoimprovehightemperatureoxidationresistanceandfrictionwearresistanceTC4alloyTC4alloyinordertoimproveperformanceinhightemperatureenvironments.

Keywords：

TC4,Location,Clamping,Process

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1激光复合合金化工艺的制定原理及方法1

1.2激光表面合金化涂层组织特性与性能2

1.3激光表面复合合金化国内外的发展现状4

1.4本课题研究的主要内容5

2激光表面合金化层的综合分析6

2.1激光合金化存在的问题6

3激光合金化技术的发展前景及研究方向7

4激光表面合金化层的物相结构与组织分析9

5激光表面合金化层的抗高温氧化性能分析11

6激光表面合金化层的高温摩擦学特性分析13

6.1高温摩擦学的定义14

6.2高温摩擦的背景16

6.3高温摩擦磨损实验及试验机18

6.4影响高温摩擦系数的因素19

结论20

致谢21

参考文献22

1绪论

由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。

但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。

封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。

在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。

机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。

现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。

人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。

电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。

人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。

又一方面实践促进人脑智力。

在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。

大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。

在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。

相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。

在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。

在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。

在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。

由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。

但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。

封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。

从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。

综合和专业水平。

有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。

在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。

自70年代以来,我国开展了激光处理的研究,开发和应用。

四十多年以来，我国的激光处理已取得了可喜的成绩,有些研究成果已达到了国际领先水平。

激光处理技术已在工业上取得了广泛的应用。

例如,西安内燃机配件厂1990年10月建成全国第一条缸套激光热处理生产线,至1998年底已建成24条激光热处理生产线,生产能力达到年产120万只激光缸套;青岛中发激光技术有限公司已开发生产了5种型号的激光强化机,据统计,该公司产品已在国内80家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用,取得了明显的经济效益。

激光热处理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。

其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基础上发展起来的新工艺,这二种方法均具有改变基材表面的组织能力,同时还具有改变基材表面成分的能力。

这二种方法为在各类材料生成与母材结合良好的高性能（或特殊性能）的表层提供了有效途径。

目前,对激光合金化和激光熔覆两种处理还没有严格的定义和区别,一般认为母材表面成分改变相对较少的方法称激光合金化,而对母材表面成分改变较大或熔覆一层与母材成分完全不同的表面层的方法称激光熔覆。

目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性,在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层;提高材料的耐腐蚀性,即在材料表面熔覆一层具有高耐腐蚀性的合金层;改变母材表面性能,形成一层具有特殊性能的表面层。

如重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上,在比强度高,耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆Ca5（PO4）3#（OH）羟基磷灰石（HA）的生物陶瓷涂层。

该熔覆层具有优良的力学性能,也改善了植入材料弹性模量与生物模量及生物硬组织的匹配性。

1.1激光复合合金化工艺的制定原理及方法

（1）激光表面合金化选材原则

在选择合金化材料时,首先应考虑合金化涂层的性能要求,其次要考虑合金化元素与母材金属熔体间相互作用的特性,还要考虑表面合金层与母材冶金结合的牢固性,以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。

在合金化组元的选择上,既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo等金属元素,也有C、N、B、Si等非金属元素,以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔颗粒。

（2）激光合金化送粉方式

激光表面合金化过程中,合金化粉末的加入方式有:

预置材料法、送粉法和激光气体合金化。

其中预置材料法当前应用较为广泛;送粉法则易于实现自动化,能够充分利用能量、气孔率低、生产效率高,可以得到良好的表面合金层质量,具有广阔的发展前景。

激光合金化典型送粉方式如图1所示。

1.2激光表面合金化涂层组织特性与性能

激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。

激光表面合金化过程中,温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化,所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征,主要组织特征类型有三种:

①平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶;②胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；③胞状树枝晶→树枝晶。

合金化涂层典型组织,如图2所示。

当前研究认为,激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合,结合强度高,能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能,获得了广泛应用。

1.3激光表面复合合金化国内外的发展现状

钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的金属材料，其主要特点是比强度高、耐腐蚀、中低温性能好，同时还具有超导、记忆、储氢等特殊性能，因此能在航空、化工、电力、医疗等领域获得日益广泛的应用，而且作为尖端科学技术材料，将具有强大的生命力。

但是钛及钛合金表面硬度低，在滑动摩擦条件下摩擦力学性能差，特别是摩擦和磨损抗力相当低，严重限制了其应用范围[1]。

因此，在金属构件性能满足服役条件下，利用先进的表面技术对钛合金进行改性处理，赋予金属表面高硬度、高耐磨损和良好的耐腐蚀性能是解决此类问题的有效途径。

钛及钛合金的激光表面改性技术是目前国内外材料领域的研究热点之一。

钛及钛合金的激光表面改性技术大致可以分为激光表面合金化法、激光熔敷法和激光表面重熔法[2]。

激光表面固体粉末合金化是采用激光将待处理材料表面加热，基材与外加合金元素粉末一起熔化混合，形成熔池，随后迅速凝固，在基材表面形成新的合金层。

激光熔敷法是用不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经过激光辐射使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨性、耐热性、耐蚀性、抗氧化性等的工艺方法。

1.4本课题研究的主要内容

本次设计的题目是激光表面复合合金化对钛合金高温性能的影响，其具体包括以下内容：

（1）激光表面合金化层的物相结构与组织分析。

（2）激光表面合金化层的抗高温氧化性能分析。

（3）激光表面合金化层的高温摩擦学特性分析。

2激光表面合金化层的综合分析

2.1激光合金化存在的问题

大功率激光加工设备的稳定性和配套性尚未达到工业生产应用水平激光合金化需要大功率或大面积光斑技术（聚焦法、宽带法及转镜法）,但当激光输出功率一定时,光斑面积越大,功率密度越低。

光束直径的增大,将使功率密度以平方关系下降。

为了保持激光的高能密度和超快速加热特征,当激光输出功率为Zkw时,光斑的最大理论面积只能为ZommZ,当输出功率为skw时,光斑最大面积只能为50mm2。

若采用宽带扫描装置,光束由圆形变成矩形时,虽一次扫描的面积增大了,但它是以显著降低扫描速度为前提的,且光束的光学特性欠佳。

因此大面积光斑技术是有局限性的。

若采用大功率技术就有一个激光器的功率稳定性问题。

合金化工艺和理论研究尚不成熟与相变强化相比,激光合金化的研究尚不深入,工艺的重现性和可信度不大,实验结果往往难以相互引用,这些问题除继续深入探讨外,尚可寻求其它的工艺方法,如在适当气氛中通过激光束熔化基体表面实现合金化处理。

合金元素可以渗入较深的表面。

表面粗糙度主要取决于样品原始粗糙度、成分、气流速度及喷咀角度,既能控制表面平整度又能强化表层性能。

基体材料对合金粉末的选择性选择合金化粉末时,除了考虑所需要的性能（如合金层硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能等）外,还必须考虑在激光作用下合金化材料进入金属表面时的行为及其与基体金属熔体的相互作用特征,即它们溶解形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数和比容等,以保证满意的合金化效果。

一般要求合金化层与基体达到冶金结合,以提高其结合强度,以及合金层的韧性、抗压、抗弯曲等性能。

激光合金化的合金材料的选择,不仅要考虑表面性能,还须考虑合金化区的表面及内在质量以及合金材料的利用率、来源及价格等。

组织不均匀性合金化组织不均匀性有三个方面:

一是合金化熔池内的组织不均匀性,在其横截面内出现组织梯度;二是熔池内的宏观组织不均匀性;三是大面积合金化的搭接区。

激光合金化区组织梯度是指在激光合金化的同一熔池内,由于合金熔池整个截面内存在温度梯度和晶体长大速度的差异,则使最终的激光合金化组织不是单一的凝固组织,而是一种复合性的凝固组织,即沿合金熔池的深度方向出现不同的凝固组织区域。

3激光合金化技术的发展前景及研究方向

近年来在工业实践中,尽管传统的表面强化技术有了重大发展和新的突破,但可精确控制的高能激光表面强化技术显示出较大的生命力,在金属表面进行各种物理、冶金强化方面,在石油、化工、电力、运输、纺织机械等方面,在开发超高性能激光应用复合生产中有效利用激光的控制性、灵活性的生产系统有着广阔前景。

随着数千瓦乃至万瓦级大功率激光器的成熟稳定,组合镜或转镜的不断完善,随着大面积合金化工艺的规范化,随着冶金学、金属材料研究方法与激光强化技术的结合,有可能对材质和性能的最优化组合以及金属材料的研究与生产产生重要影响。

4激光表面合金化层的物相结构与组织分析

需要对激光表面合金化层的物相结构与组织进行分析，就要求我们掌握以下几点：

（1）熟悉X射线衍射仪的基本结构和工作原理。

（2）基本学会样品测试过程。

（3）掌握利用衍射图进行物相分析的方法。

基本掌握利用衍射图进行物质结构分析的方法

晶体的X射线衍射图谱是对晶体微观结构精细的形象变换，每种晶体结构与其X射线衍，射图之间有着一一对应的关系，任何一种晶态物质都有自己独特的X射线衍射图，而且不会因为与其它物质混合在一起而发生变化，这就是X射线衍射法进行物相分析的依据。

其X射线衍射图谱如下图所示：

任何一种粉末衍射技术都要求样品是十分细小的粉末颗粒，使试样在受光照的体积中有足够多数目的晶粒。

因为只有这样，才能满足获得正确的粉末衍射图谱数据的条件：

即试样受光照体积中晶粒的取向是完全机遇的。

粉末衍射仪要求样品试片的表面是十分平整的平面。

将被测样品在研钵中研至200-300目。

将中间有浅槽的样品板擦干净，粉末样品放入浅槽中，用另一个样品板压一下，样品压平且和样品板相平。

块状样品制备X光线照射面一定要磨平，大小能放入样品板孔，样品抛光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥从后面把样品粘牢，注意勿让橡皮泥暴露在X射线下，以免引起不必要干扰。

样品扫描在newprogram中编好测试程序开始采集数据在HighScore中处理谱图。

用HighScore软件处理谱图，与PDF标准卡片对照，得到样品为TiO2锐钛矿和TiO2金红石。

利用全谱拟合方法（WPPF）对谱图进行处理后，得到TiO2锐钛矿的含量是50.1％，TiO2金红石的含量是49.9％。

利用软件处理谱图后得到两种TiO2晶体的晶体结构数据，并根据晶格常数判断出晶胞的晶系结果。

对于样品的物相分析是准确的，所有的峰都与PDF标准卡片中TiO2锐钛矿和○TiO2金红石的峰相重叠，虽然在强度上略微有所不同，但考虑到仪器和操作填料的差异，这是在误差允许范围内的。

对于样品的定量分析，○同一天的两组同学测得的结果如表3所示，从表3中我们可以看出，对于同一份样品，两组同学的测量结果略微有些差异。

这些差异主要来自于研磨的程度不同、装填样品的凹凸程度和平滑程度不同，但差异是在误差允许范围的，具体如下图所示：

5激光表面合金化层的抗高温氧化性能分析

1金属氧化的过程

高温氧化是金属化学腐蚀的一种特殊形式。

金属氧化首先从金属表面吸附氧分子开始,高温即氧分子分解为氧原子被金属表面所吸附,并在金属晶格内扩散、吸附或溶解。

而当金属和氧的亲和力较大,且当氧在晶格内溶解度达到饱和时,则在金属表面上进行氧化物的成核与长大。

金属表面一旦形成了氧化膜,其氧化过程的继续进行将取决于以下两个因素：

（1）界面反应速度。

这包括金属/氧化物界面及氧化物/气体界面上的反应速度。

（2）参加反应的物质通过氧化膜的扩散速度。

它包括浓度梯度化学位引起的扩散,也包括电位梯度电位差引起的迁移扩散。

这两个因素控制进一步氧化的速度。

在一般情况下,当金属的表面与氧开始反应生成极薄的氧化膜时,界面反应起主导作用,即界面反应是氧化膜生长的控制因素。

但随着氧化膜的生长增厚,扩散过程将逐渐起着越来越重要的作用,成为继续氧化的控制因素。

如果在合金表面上能生成保护性极强的合金元素氧化物,或者能在基体金属氧化物的底部生成合金元素的氧化物相,则可有效地阻止基体金属的氧化。

选作这种用途的合金元素应具有下述三方面的基本特性。

为了满足这一条件,合金元素应具有以下特性:

应符合Pilling-Bedworth原理原理,即合金元素氧化物的体积与该合金元素的体积之比（V′/V）应大于1。

合金元素的氧化物应具有高的电阻,以便有效地阻止金属离子的扩散。

合金元素的离子半径应小于基体金属的离子半径。

为使合金元素的氧化物能在金属表面优先形成,并且在氧化条件下不会被基体金属还原,必须选择其氧化物的生成吉布斯自由能比基体金属氧化物的生成吉布斯自由能更小的合金元素。

这是保证保护膜产生和稳定存在的必须满足的热力学条件。

为保证合金元素的氧化膜在高温下稳定存在,合金元素的氧化膜必须有低的分解压、高的熔点和升华点,以免在高温下分解、挥发或成为液体而丧失其保护性。

当然这些氧化物也不应与其他合金组元的氧化物生成低熔混合物。

因此,凡其氧化物在高温下易于挥发（如Mo）和熔融（如B）的元素,都不宜于用作合金化元素。

6激光表面合金化层的高温摩擦学特性分析

6.1高温摩擦学的定义

两个在接触状态下作相对运动的物体，因接触而阻碍相对运动，并使运动速度减慢，这种现象称之为摩擦。

物体表面互相摩擦时，材料自该表面逐渐损失的过程称之为磨损。

摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。

摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的一门边缘学科。

高温摩擦，顾名思义是在高温工作下的摩擦磨损现象。

高温工作条件下，高温和氧化加速了磨损。

6.2高温摩擦的背景

一些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。

相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少，而且这些类高温摩擦情况较为普遍，消耗更为严重，因而我们迫切地需要提高材料的高温耐磨性，以减少高温工作条件下的摩擦磨损。

一方面伴随着现代航空、航天等高新技术的发展，陶瓷材料的广泛应用，材料高温性能和高温润滑要求更高，另一方面随着石油燃料价格的上涨，发动机的经济性越来越受到重视。

低能耗、少排放、高推进比的先进绝热发动机逐渐出现在人们的视野中。

自1974年研究绝热发动机以来，英国、美国、日本等国家先后投入巨资对其进行研究，以期实现绝热发动机在军用和民用上的巨大价值。

6.3高温摩擦磨损实验及试验机

高温摩擦磨损实验需要用到的试验机有X射线衍射仪（XRD）扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、磨损试验机等都可用于实验测试分析。

磨损实验类型分为实物实验和实验室试验。

试样实验常用的磨损试验机有销盘式试验机，上试样为销，下试样为旋转的圆盘，主要用于与矿石、砂石等固体材料发生磨损情况下金属材料的耐磨性能实验，如MPX-200型和ML-10型；环快式试验机上试样为平面块状，下试样为环状，主要用来做各种润滑油和脂在滑动摩擦状态下的承荷能力和摩擦特性的实验，如MHK-500型；双环式试验机上下试样均为圆环状，主要用来测定金属和非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滑动和滚动复合摩擦或间歇摩擦情况下的磨损量，如MM-100型和MM-200型；往复式试验机上试样在下试样上作往复运动，主要用于评定往复运动机件如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性，如MS-3型；四球式试验机试样为四个大小相同的钢球，主要用于评定润滑剂