激光熔覆技術(shù)制備新型Al-TiC復(fù)合涂層的研究

徐曉丹，牛 成

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012;2.吉林油田公司乾安采油廠，吉林乾安 131400)

激光熔覆技術(shù)制備新型Al-TiC復(fù)合涂層的研究

徐曉丹1，牛 成2

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012;2.吉林油田公司乾安采油廠，吉林乾安 131400)

采用預(yù)置激光熔覆技術(shù)，將Al-Ti-C混合粉末預(yù)置于鋁合金基體表面，并在氬氣保護(hù)下，利用YAG激光器實(shí)現(xiàn)了在鋁合金表面原位形成Al-TiC復(fù)合熔覆層。通過(guò)改變激光束能量密度和激光束掃描速度等工藝參數(shù)，獲得了不同工藝條件下的激光熔覆層，并對(duì)其顯微組織、物相分布及耐磨性能進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明由于激光能量密度和激光束掃描速度不同，所形成的熔覆層中TiC的分布狀態(tài)有很大差別。隨著激光能量密度的增大，TiC分布趨于均勻。當(dāng)激光束掃描速度為2.5 mm/s、激光束能量密度為6.09J/mm2時(shí)，熔覆層具有最高的耐磨性能。

激光熔覆;TiC顆粒;鋁合金;耐磨性;Al-TiC復(fù)合涂層

引 言

鋁合金具有比重小、耐蝕性好、比強(qiáng)度高及熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，其不僅在航空航天領(lǐng)域里有著廣泛的用途，而且在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用量也在逐年增加。但與其它一些金屬材料相比，鋁合金硬度較低，摩擦系數(shù)高，耐磨性較差，從而導(dǎo)致其使用壽命大幅度降低，這在很大程度上制約了鋁合金的應(yīng)用范圍［1-5］。

表面強(qiáng)化是提高鋁合金耐磨性的有效方法之一。而激光表面處理技術(shù)因其本身所固有的優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越引起了人們的廣泛關(guān)注［6-7］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在鋁合金基體上激光熔覆合金粉末可明顯提高其耐磨性和耐蝕性［8-9］。J.Dutta 等［10］研究了在鋁合金上激光熔覆 Al-Al2O3粉末;Sorin Ignat等［11］研究了在鎂合金基體上激光熔覆Cu-Zr-Al粉末，二者均使合金的耐磨性及耐蝕性大大提高。然而，很少有報(bào)道在鋁合金基體上進(jìn)行激光熔覆Al-Ti-C粉末并原位形成Al-TiC復(fù)合熔覆層的相關(guān)研究。根據(jù)Wang等［12-13］的研究 Al與 Ti先反應(yīng)生成化合物TiAlx，而進(jìn)一步與C反應(yīng)生成熱力學(xué)較穩(wěn)定的TiC。TiC的形成主要經(jīng)過(guò)以下兩個(gè)反應(yīng):

實(shí)驗(yàn)證明此陶瓷顆?？捎行岣咪X合金的耐磨性［14-15］。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)在鋁合金基體上激光熔覆Al-Ti-C粉末進(jìn)行了研究，成功的將Al-Ti-C粉末熔覆在鋁合金的基體上并原位形成了Al-TiC復(fù)合熔覆層，并對(duì)熔覆層的微觀組織、物相構(gòu)成和耐磨性能進(jìn)行了研究，確定了最佳的激光工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中所使用的基體材料為活塞用鋁合金，規(guī)格為10mm×30mm×3mm。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。激光處理前，對(duì)試件的表面進(jìn)行機(jī)械拋光并清洗干凈。將熔覆材料Al、Ti和C的混合粉末按m(Al)∶m(Ti)∶m(C)為 4∶3∶3，其粉末 d 范圍均在 50 ～100μm，將熔覆材料進(jìn)行機(jī)械混合后采用化學(xué)黏結(jié)的方法預(yù)置在鋁合金表面，δ約為0.3mm，表面預(yù)置粉末的試樣在120℃烘干1h后進(jìn)行激光熔覆。

表1 鋁合金基體的化學(xué)成分

采用1KW Nd:YAG脈沖激光器進(jìn)行表面熔覆處理，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用氬氣保護(hù)。具體參數(shù)如表2所示。激光處理后，將試片的截面拋光，采用DMAXⅡA型XRD對(duì)熔覆層的相組成進(jìn)行分析，使用JSM-5310型掃描電鏡對(duì)熔覆區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察;激光熔覆層的硬度使用HX-1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，載荷2N，時(shí)間15s，采用MRH-5A型滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層的摩擦磨損性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)磨件為d=4mm的Si3N4陶瓷球，所加載荷為15N，磨損速度為 0.06 m/s，往復(fù)行程 20mm，作用 t為10min。

表2 激光表面熔覆處理工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 激光掃描速率對(duì)熔覆層組織形貌的影響

圖1為熔覆層表面的XRD圖譜，從圖譜中可以看出熔覆層主要Al、C及TiC相組成。

圖1 熔覆層表面XRD衍射圖譜

圖2為激光能量密度6.09J/mm2時(shí)，在不同的掃描速率下所獲得的熔覆層的顯微組織照片。圖2中顯示，當(dāng)激光掃描速率1.0mm/s時(shí)有白色的TiC顆粒分布在熔覆層中，且TiC的含量較多，但是分布并不均勻而是聚集在一起，形成TiC團(tuán)簇，且團(tuán)簇的周?chē)性S多孔洞。當(dāng)掃描速率1.5mm/s時(shí)，熔覆層中TiC的分布仍不均勻，TiC顆粒聚集現(xiàn)象嚴(yán)重，有孔洞和裂紋。當(dāng)掃描速率為2.0mm/s時(shí)，熔覆層中TiC顆粒非常小，在基體中的分布很均勻，沒(méi)有TiC聚集的現(xiàn)象且孔洞很少，TiC顆粒與基體結(jié)合較好。當(dāng)掃描速率為2.5mm/s時(shí)，熔覆層中TiC的分布比較均勻，顆粒比較小，但是在有的區(qū)域出現(xiàn)了TiC的聚集現(xiàn)象，且有孔洞。由此可知，在激光能量密度為6.09J/mm2，掃描速率為2.0mm/s條件下，TiC 的分布最均勻，與基體的結(jié)合最好。隨著激光掃描速率的增加，基體熔化時(shí)間短，TiC的分布量有減少的趨勢(shì)，并且涂層的缺陷也逐漸增加。

圖2 熔覆層的顯微組織照片

從圖2(c)中可以看出，直徑為0.3～0.5μm 的白色球形TiC顆粒均勻分布在鋁合金基體上，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因?yàn)轭w粒的分布主要取決于熔體總顆粒的彌散性、顆粒與顆粒間的相互作用以及在凝固過(guò)程中固/液界面遷移速度。在不同系統(tǒng)中，推進(jìn)的固/液界面發(fā)生推斥/捕獲顆粒的轉(zhuǎn)變存在著一個(gè)臨界速度，如果固/液的推進(jìn)速度低于臨界速度，顆粒被推斥，會(huì)導(dǎo)致顆粒偏聚;若界面速度超過(guò)臨界速度，則顆粒被捕獲，組織中顆粒趨于均勻分布［16］。由推斥/捕獲理論可知，在激光涂覆過(guò)程中由于冷卻速度很快，超過(guò)臨界速度，導(dǎo)致顆粒被界面捕獲，從而引起了顆粒在基體中均勻分布，且涂層與基體的結(jié)合較好。由圖2c中還可看出TiC顆粒主要分布在基體相的晶內(nèi)處，在晶界上沉淀的TiC顆粒較少。

2.2 激光能量密度對(duì)熔覆層組織形貌的影響

圖3為在掃描速率2.0mm/s的條件下，激光能量密度分別為7.57和6.09J/mm2時(shí)的熔覆層微觀形貌。當(dāng)激光能量密度為7.57 J/mm2時(shí)熔覆層中TiC顆粒較多，出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)激光能量密度為6.09J/mm2時(shí)熔覆層的微觀組織中，其TiC的含量較少，分布較均勻。由此可見(jiàn)，提高激光能量密度可以增加TiC在基體中的量的同時(shí)也會(huì)加劇TiC的聚集傾向，這是由于隨著能量密度的增加，其基體溫度也提高。實(shí)驗(yàn)證明，TiAl3，Al4C3向TiC轉(zhuǎn)化也就更容易，轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)行的更徹底，所以TiC的量會(huì)增加。由于激光熔覆的冷卻速度快，轉(zhuǎn)化的TiC還來(lái)不及分散開(kāi)就凝固了，所以就會(huì)有TiC聚集的現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖3 掃描速率2mm/s時(shí)Al-TiC復(fù)合熔覆層形貌

2.3 涂覆層的耐磨性能

通過(guò)磨損試驗(yàn)來(lái)研究經(jīng)激光熔覆處理的鋁合金表面和未經(jīng)處理的鋁合金表面的耐磨損性能，磨損質(zhì)量的損失率用△m來(lái)表示，實(shí)驗(yàn)得到的磨損質(zhì)量變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，經(jīng)激光熔覆處理后的鋁合金表面的耐磨性明顯高于未處理的鋁合金表面，這是因?yàn)榉勰┲械慕饘傧嗷シ磻?yīng)生成TiC顆粒的緣故。

圖4 磨損質(zhì)量變化曲線

3 結(jié)論

1)采用預(yù)置激光熔覆技術(shù)在鋁合金表面原位形成Al-TiC復(fù)合熔覆層，熔覆層中TiC的數(shù)量和分布受激光能量密度、激光束掃描速度的影響。隨著激光能量密度增大，TiC數(shù)量增多且有團(tuán)聚傾向。激光能量密度與激光束掃描速度之間的匹配合理時(shí)，可獲得細(xì)小均勻、彌散分布的TiC，本試驗(yàn)條件下掃描速率為2mm/s，激光能量密度為6.09J/mm2時(shí)獲得了良好的顯微組織形態(tài)。

2)Al-TiC復(fù)合熔覆層的耐磨性較鋁合金基體有顯著的提高。

［1］閻洪.金屬材料的激光表面改性處理技術(shù)［D］.云南:昆明冶金研究院，2000:9-18.

［2］武曉雷，陳光南.激光形成原位TiC顆粒增強(qiáng)涂層的組織及性能［J］.金屬學(xué)報(bào)，1998，34(12):1284-1288.

［3］Hashimoto S，Yamaguchi A，Koshino M.Fabrication and characterization of TiC/Al composites［J］.Materials Science and Engineering:A，1999，265(1-2):71-76.

［4］Chong P H，Man H C，Yue T M.Laser fabrication of Mo-TiC MMC on AA6061 aluminum alloy surface［J］.Surface and Coating technology，2002，154，(2-3):268-275.

［5］Sobczak N，Sobczak J，Seal S，et al.TEM examination of the effect of titanium on the Al/C interface structure［J］.Materials Chemistry and Physics，2003，81，(2-3):319-322.

［6］J.T.M.De Hosson and D.H.J.Teeuw.Nanoceramic coatings produced by laser treeatment［J］.Surface Engineering，1999，15(3):235-241.

［7］Albiter A，Contreras A，Bedolla E，et al.Structural and chemical characterization of precipitates in Al-2024/TiC composites［J］.Applied Science and Manufacturing，2003，34(1):17-34.

［8］趙文軫，蘇勛家，王漢功，等.鋁合金激光熔覆的最佳能量密度選擇［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，30(8):86-90.

［9］李金桂.材料的表面改性與涂覆技術(shù)的新進(jìn)展［J］.腐蝕與防護(hù)，1999，20(2):51-55.

［10］Wang H Y，Jiang Q C，Li X L，et al.In situ synthesis of TiC/Mg composites in molten magnesium［J］.Scripta Mater，2003，48:1349-1354.

［11］Wang H Y，Jiang Q C，Li X L，et al.Effect of Cu-Si agent modifier on the granulation of gamma+(Fe，Mn)(3)C eutectic particale in an austenite steel［J］.J.Alloy Compd.2004，366:L9-L12.

［12］李俊昌.激光熱處理優(yōu)化控制研究［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995:107-110.

［13］馬向東，王捧柱.激光表面熔敷處理的選材研究［J］.水利電力機(jī)械，1994，(6):12.

［14］Feng Wang，Huimin Liu，Bin Yang.Effect of in-situ TiC particulate on the wear resistance of spray-deposited 7075 Al matrix composite［J］.Materials characterization，2005，54(4-5):446-450.

［15］Man H C，Yang Y Q，Lee W B.Laser induced reaction synthesis of TiC+WC reinforced metal matrix composites coatings on Al6061［J］.surface ＆ Coating Technology，2004，185(1):74-80.

［16］Pei Y T，Zuo T C.Gradient microstructure in laser clad TiC-reinforced Ni-alloy composite coating［J］.Materials Science and Engineering:A，1998，241(1-2):259-263.

Preparation of Al-TiC Composite Coating by Laser Cladding Technology

XU Xiao-dan1，NIU Cheng2
(1.Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Ministry of Education，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China;2.Survey design institute，Jilin oil group Co.，Ltd，Qian＇an 131400，China)

Al-Ti-C mixed powder was preset on the surface of aluminum alloy substrate by using pre-laser cladding technology，and then Al-TiC cladding composite coating was formed on aluminum alloy surface by using YAG laser under argon protection.Laser cladding layers could be prepared under different energy density，scanning speed of laser beam and other processing parameters.It is showed that under different energy density and scanning speed of the laser beam，TiC distribution in the cladding layer varied greatly.With the increase of energy density，TiC distribution would become in a more uniformed state.When the scanning speed and energy density of laser beam were 2.5mm/s and 6.09J/m2separately，the cladding layer had the best wear resistance.

laser cladding;TiC particle;aluminum alloy;wear resistance performance;Al-TiC composite coating

TQ153.2

A

1001-3849(2012)04-0010-04

2011-05-19

2011-10-10

吉林省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005025)