TC4合金氬弧熔覆TiN復(fù)合涂層的組織及耐磨性

孟君晟， 王振廷

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

TC4合金氬弧熔覆TiN復(fù)合涂層的組織及耐磨性

孟君晟， 王振廷

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為提高鈦合金表面性能，以TiN粉和Ti粉為原料，利用氬弧熔覆技術(shù)，在TC4合金表面成功制備出TiN增強(qiáng)Ti基復(fù)合涂層。采用掃描電鏡、X射線衍射儀分析了熔覆涂層的顯微組織和物相組成;利用顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了復(fù)合涂層的顯微硬度和室溫干滑動(dòng)磨損條件下的耐磨性能。結(jié)果表明:氬弧熔覆涂層組織均勻致密，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，熔覆涂層主要由TiN棒狀樹(shù)枝晶和TiN顆粒組成，復(fù)合涂層明顯改善了TC4合金的表面硬度，涂層的最高顯微硬度可達(dá)9.5 GPa;復(fù)合涂層在室溫干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)條件下具有優(yōu)異的耐磨性，磨損機(jī)制主要是磨粒磨損，其耐磨性較TC4合金基體提高近9倍。

TC4合金;氬弧熔覆;TiN;顯微組織

0 引言

TC4合金具有強(qiáng)度高而密度低、抗腐蝕性好、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于宇航、石油、化工、冶金和生物材料等領(lǐng)域，但由于鈦合金摩擦系數(shù)高，作為運(yùn)動(dòng)副零部件時(shí)，其耐磨性差，成為影響其使用性能的重要因素［1－6］。利用激光束具有能量密度高、加熱速度快及加熱溫度高的特點(diǎn)，在金屬材料表面熔覆陶瓷粉末，獲得耐磨涂層，使得陶瓷的高耐磨性、耐蝕性與金屬基體有機(jī)結(jié)合，提高零部件的使用壽命，已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)［7－9］。但利用激光熔覆進(jìn)行表面強(qiáng)化，其設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，不利于進(jìn)行推廣。近年來(lái)，氬弧熔覆得到了廣泛的應(yīng)用，氬弧熔覆的電弧能量集中，在熔覆過(guò)程中，保護(hù)氣體在電弧周?chē)纬蓺怏w保護(hù)層，電弧穩(wěn)定燃燒，試樣在加熱和冷卻過(guò)程中不發(fā)生氧化、燒損現(xiàn)象，且具有設(shè)備價(jià)格低，操作靈活簡(jiǎn)單，使用方便，易于推廣等優(yōu)點(diǎn)［10－11］。筆者選用TiN粉和Ti粉為熔覆材料，利用氬弧熔覆技術(shù)在廣泛使用的Ti－6Al－4V合金表面制備了熔覆涂層，并對(duì)復(fù)合涂層的顯微組織及性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與涂層制備

基體材料為國(guó)產(chǎn)Ti－6Al－4V鈦合金，原始棒材熱處理狀態(tài)為780℃保溫1 h后爐冷退火。試樣加工尺寸為40 mm×20 mm×10 mm，表面用砂紙打磨并用無(wú)水乙醇和丙酮進(jìn)行清洗。選用m(TiN)∶m(Ti)=3∶1的混合粉末作為熔覆材料，其中TiN粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%，粒度約為48 μm。Ti粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%，粒度約為58 μm。將熔覆材料進(jìn)行機(jī)械混合后用黏結(jié)劑將粉末混合成膏狀，涂抹在基體Ti－6Al－4V合金表面，厚度控制在1.0～1.2 mm，預(yù)留2 mm左右的引弧端，放置于通風(fēng)處24 h后將試樣放置在DHG－9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中120℃烘干2 h。用MW3000型數(shù)字化焊機(jī)對(duì)涂覆粉末進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)，氬弧熔覆工藝參數(shù)為:電流110 A;電壓16 V;氣體流量8 L/min;熔覆速度5 mm/s。

1.2 設(shè)備與方法

采用磨光、拋光工序制備金相試樣，使用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶6的腐蝕劑腐蝕。用MX2600FE型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂層的顯微組織進(jìn)行觀察。利用D/max2200型X射線衍射儀對(duì)熔覆層物相進(jìn)行分析;采用MHV2000型顯微硬度計(jì)測(cè)量氬弧熔覆涂層沿層深方向的硬度分布(載荷1.96 N，保載時(shí)間10 s)。利用MMS－2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了涂層室溫干滑動(dòng)磨損，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，對(duì)磨環(huán)采用淬火態(tài)的GCr15鋼環(huán)(硬度為2.1 GPa)，其中，磨損工藝參數(shù)為:實(shí)驗(yàn)力200 N，轉(zhuǎn)數(shù)200 r/min，時(shí)間30 min。實(shí)驗(yàn)前后用丙酮將試樣清洗干凈，烘干后用精度為0.000 1 g的FC204型電子天平對(duì)磨損前后的試樣進(jìn)行稱量，計(jì)算磨損質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 相組成

圖1是氬弧熔覆TiN復(fù)合涂層X(jué)射線衍射圖譜。由圖1可知，氬弧熔覆TiN+Ti涂層的表面主要是由TiN相，少量的TiN0.3相和典型密排六方晶體結(jié)構(gòu)的α－Ti組成。

圖1 氬弧熔覆復(fù)合涂層X(jué)射線衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of composite coating by GTAW

2.2 組織分析

從TC4合金表面氬弧熔覆TiC增強(qiáng)Ti基復(fù)合涂層橫截面光學(xué)顯微照片(圖2)可以看出，熔覆層與基體結(jié)合良好，無(wú)氣孔、夾雜等缺陷，熔覆層內(nèi)部組織均勻。由熱力學(xué)可知，高溫下反應(yīng)生成TiN的標(biāo)準(zhǔn)自由能［10］為ΔG0(TiN)=－671 600+185.5T，可知當(dāng)溫度T＜3 614 K時(shí)，TiN的Gibbs自由能ΔG0＜0，而鎢極電弧的溫度低于此反應(yīng)溫度，說(shuō)明TiN可以生成。圖3為氬弧熔覆涂層不同區(qū)域顯微組織照片。氬弧熔覆表層和底部的組織不同。熔覆涂層表層組織(圖3a)由粗大的TiN棒狀樹(shù)枝晶組成;熔覆涂層底部組織(圖3b)主要由TiN棒狀樹(shù)枝晶和TiN顆粒組成。分析認(rèn)為，這是由于氬弧熱源在加熱過(guò)程中不同區(qū)域的加熱溫度不同導(dǎo)致的。在氬弧熱源加熱過(guò)程中，熱能由TiN粉末涂覆層的表面向基體內(nèi)部傳播，表面熔化溫度高，TiN顆粒能夠全部熔化，由于冷卻速度快，TiN主要以樹(shù)枝晶形式長(zhǎng)大，形狀為棒狀。在熔覆涂層底部的加熱溫度較低，使得TiN顆粒不能發(fā)生全部熔化，由于冷卻速度較慢，部分未熔化的TiN以顆粒狀形式直接保留下來(lái)。因此，氬弧熔覆涂層底部的TiN主要以兩種形態(tài)存在，一是棒狀樹(shù)枝晶，一是顆粒狀。在氬弧熱源加熱過(guò)程中，TiN粉末和TC4鈦合金基體都將發(fā)生熔化，底部的TiN與基體相互混合，進(jìn)而產(chǎn)生“稀釋”作用，因此，熔覆層底部受到TC4合金基體的稀釋作用較大［12］，這也是底部涂層硬度相對(duì)較低的原因。

圖2 氬弧熔覆涂層截面形貌光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.2 Cross-section microstructure of composite coating of argon shielded arc clad coating

圖3 氬弧熔覆復(fù)合涂層SEM形貌Fig.3 SEM micrographs showing microstructure of argon shielded arc clad coating

2.3 硬度和耐磨性

圖4所示為氬弧熔覆涂層從表面到基體區(qū)的顯微硬度曲線。從圖4可以看出，熔覆涂層的顯微硬度較基體有顯著提高，最高可達(dá)9.5 GPa，且沿層深d方向呈梯度分布。熔覆涂層硬度顯著提高主要是由于生成了大量的TiN硬質(zhì)相。

圖4 熔覆涂層顯微硬度曲線Fig.4 Microhardness profile of composite coating

熔覆涂層與TC4合金基體相對(duì)耐磨性ε如圖5所示。從圖5中可以明顯看出，熔覆涂層的耐磨性得到了顯著的提高，較基體提高了近9倍。

圖5 TC4合金與熔覆涂層相對(duì)耐磨性Fig.5 Wear resistance comparison between TC4 alloy and composite coating

圖6a為T(mén)C4合金基體磨損表面形貌。從圖6a可知，基體TC4合金表面粗糙，粘附較多的磨屑、撕裂和痕跡，并且有較深的犁溝。這是由于GCr15摩擦副表面的硬質(zhì)點(diǎn)易于壓入鈦合金的表層形成顯微切削，且因TC4合金基體較軟，較硬的對(duì)磨環(huán)對(duì)軟的基體易于產(chǎn)生粘著，當(dāng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑移剪斷發(fā)生在軟金屬層，所以在TC4合金表面產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。這說(shuō)明在干滑動(dòng)摩擦磨損過(guò)程中TC4合金表面呈現(xiàn)出典型的磨粒磨損和粘著磨損特征。圖6b為氬弧熔覆涂層的磨損形貌。從圖6b中可以看出，熔覆涂層表面只有很少的粘著痕跡，表面比較光滑，只有輕微切削的痕跡，且犁溝深度較淺，其磨損機(jī)制主要是磨粒磨損。熔覆試樣上硬度很高的TiN樹(shù)枝晶均勻的分布在整個(gè)熔覆層中，使涂層的硬度得到較大的提高，對(duì)磨環(huán)GCr15不能有效的壓入涂層中，從而產(chǎn)生磨粒磨損;氬弧熔覆是快速凝固的過(guò)程，獲得的涂層組織細(xì)小，硬質(zhì)相與基體能達(dá)到良好的強(qiáng)韌配合，熔覆涂層表面在磨損過(guò)程中未產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，受上述因素影響，熔覆涂層具有優(yōu)異的室溫干滑動(dòng)磨損性能。

圖6 TC4合金與熔覆涂層磨損表面形貌Fig.6 Micrographs showing worn surface morphology of TC4 alloy and composite coating

3 結(jié)論

(1)以TiN粉和Ti粉為原料，采用氬弧熔覆技術(shù)，在TC4合金表面制備出以枝狀晶和顆粒狀分布的TiN復(fù)合涂層。

(2)氬弧熔覆涂層從表層至基體顯微硬度逐漸降低，顯微硬度最高可達(dá)9.5 GPa，熔覆涂層在室溫干滑動(dòng)摩擦條件下具有優(yōu)異的耐磨性能，比基體提高近9倍。

(3)TC4合金基體的主要磨損機(jī)制為粘著磨損和磨粒磨損，氬弧熔覆復(fù)合涂層在室溫干滑動(dòng)磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。

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Microstructure and wear resistance of TiN composite coating on TC4 alloy by argon arc cladding

MENG Junsheng， WANG Zhenting
(College of Materials Science＆Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at improving the titanium alloy surface properties，this paper introduces the successful preparation of Ti-based composite coating reinforced by TiN particle on the surface of TC4 steel，based on argon arc cladding technique with the pre-alloyed powder of TiN and Ti.The paper describes an analysis of the microstructure and phase of the coating using scanning electron microscopy(SEM)，X－ray diffraction(XRD)and the examination of microhardness and wear resistance at room temperature of the composite coating by means of microhardness tester and wear tester respectively.The results prove that TIG cladding coating behaves in a uniform and compact way as to produce a metallurgical bond between the TC4 steel substrate and the coating consisting mainly of TiN stick-like dendrites TiN particles.The composite coating reinforced by TiN particle affords a significant improvement in surface hardness of TC4 alloy，resulting in the highest microhardness of 9.5 GPa in some cases.The composite coating exhibits a better wear resistance under dry sliding wear test conditions than otherwise would occur.The composite coatings shows wear resistance nine times higher than that of TC4 coatings.

TC4 alloy;argon arc cladding;TiN;microstructure

TG174.44

A

1671－0118(2012)02－0123－04

2012－02－09

黑龍江省科技廳科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(12511469);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目(81287776)

孟君晟(1982－)，男，黑龍江省雞西人，工程師，博士研究生，研究方向:金屬材料表面工程，E-mail:mengjs2008@live.cn。

(編輯王 冬)