TC4合金表面氬弧熔覆TiN/Ni60A的涂層組織與耐磨性

王建永,　丁元柱

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 后勤管理處, 哈爾濱 150022)

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TC4合金表面氬弧熔覆TiN/Ni60A的涂層組織與耐磨性

王建永1,丁元柱2

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 后勤管理處, 哈爾濱 150022)

為了提高TC4合金的表面硬度,將Ni60A粉末和TiN粉末的配比混合均勻后,預(yù)置在TC4合金基體表面上,采用氬弧熔覆的方法,制備出TiN/TiB復(fù)合涂層。利用SEM、XRD和EDS分析了熔覆層的顯微組織和結(jié)構(gòu);通過顯微硬度計(jì)和磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層的硬度和磨損性能進(jìn)行研究。研究表明:混合后的合金粉末在氬弧的作用下形成大量的TiN、TiB顆粒,彌散均勻地分布在基體之中,熔覆層組織均勻致密,無氣孔和裂紋,顯微硬度最高達(dá)14.83 GPa,其耐磨性是基體的22倍。

復(fù)合涂層; 氬弧熔覆; 耐磨性

0　引　言

鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性及優(yōu)良的力學(xué)性能,被廣泛的應(yīng)用在航空、航天、石油化工和海洋產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域[1-4]。由于鈦合金的摩擦系數(shù)較高,作為產(chǎn)品的零部件使用時(shí),耐磨性能較差[5],并且鈦合金耐熱系數(shù)高、難以潤(rùn)滑[6],極大地限制了它在工程上的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外研究人員為提高鈦合金的耐磨性,利用化學(xué)鍍、離子注入、化學(xué)熱處理和激光熔覆等表面技術(shù)在鈦合金表面制備耐磨層[7]。但是,上述方法操作復(fù)雜,設(shè)備價(jià)格昂貴,所制備的耐磨層與基體結(jié)合較差,效果難以達(dá)到期望值。馬壯等[8]和宋思利等[9]研究了手工操作的氬弧熔覆技術(shù),可以減小氧化損失和合金元素的燒損,并且形成的熔覆層較均勻致密、表面清潔,與基體結(jié)合強(qiáng)度高。TiB和TiN都具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性,常被作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相所應(yīng)用,由TiB、TiN顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層對(duì)金屬的韌性影響較小,可以極大地提高金屬的耐磨性[10-11]?；诖?筆者通過氬弧熔覆在TC4合金表面制備TiB/TiN復(fù)合涂層,對(duì)涂層的微觀組織及耐磨性能進(jìn)行了研究。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)選用的TC4合金作為基體材料,化學(xué)成分見表1。試樣尺寸為60 mm×10 mm×8 mm,熔覆材料為Ni60A和TiN粉末,其化學(xué)成分見表2和表3,Ni60A和TiN粉末的總質(zhì)量為3 g,其質(zhì)量配比為1∶3。

表1　TC4合金的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2　Ni60A粉末的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3　TiN粉末的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

實(shí)驗(yàn)所采用的腐蝕劑為HNO3、HF、H2O，體積比為5∶5∶90。氬弧熔覆如圖1所示,用MW3000型數(shù)字化焊機(jī)進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn),氬弧熔覆工藝參數(shù)為:電壓16 V,電流110 A,熔覆速度5 mm/s,氣體流量8 L/min;涂層的微觀組織采用MX-2600FE型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。物相采用D/max-rB12型X射線衍射儀(XRD)和OXFORD能譜(EDS)進(jìn)行分析。顯微硬度采用MHV2000型顯微硬度計(jì)測(cè)量,實(shí)驗(yàn)所加載荷1.96 N,加載時(shí)間15 s,測(cè)量五個(gè)點(diǎn),硬度測(cè)量分別沿熔覆層的最大熔覆面向基體每隔0.1 mm距離測(cè)定,分析熔覆層的顯微硬度;摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用MMS-2A型磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,對(duì)磨環(huán)為淬火態(tài)GGr15鋼,對(duì)磨實(shí)驗(yàn)前后試樣均用丙酮清洗干凈,然后用電子天平稱量,對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后涂層的磨損量。

圖1　氬弧熔覆示意

2　結(jié)果與分析

2.1復(fù)合涂層的微觀組織

圖2為復(fù)合涂層背散射照片。

圖2　復(fù)合涂層背散射照片

從圖2可以看出,復(fù)合涂層組織由大量方塊狀顆粒組成,方塊狀顆粒尺寸8～13 μm。方塊狀顆粒大,并且全部彌散分布在基體中。

圖3為熔覆層中各組成相的能譜分析,由圖3可知,組成相呈現(xiàn)不同形狀,位置a和b分別為方塊狀物和花瓣?duì)钗铩Ｎ恢胊中含有Ti、B兩種元素,通過能譜分析可知,B占總質(zhì)量的31.27%,Ti占總質(zhì)量的68.73%。Ni60A中含有3.0%～4.5%的B元素,在氬弧的作用下,Ni60A發(fā)生分解,由于Ti和N化學(xué)鍵的結(jié)合力較強(qiáng),TiN部分分解,導(dǎo)致B元素與Ti元素游離出來;位置b中含有N、Ti兩種元素,TiN發(fā)生部分分解,游離的N元素較少,占總質(zhì)量的13.39%。位置c為基體,其中Ti為重要元素,其余為TC4合金中的微量元素。

圖3　熔覆層能譜分析

圖4為熔覆層表面X射線衍射圖譜。通過圖4可知,在X射線衍射峰的最高峰處2θ為39.412°的位置上的物相是α-Ti,在2θ為36.667°、42.484°、61.830°、74.118°和76.732°的衍射峰處出現(xiàn)的物相是TiN。在2θ為35.264°、38.336°、42.193°和78.380°的衍射峰處出現(xiàn)的物相是TiB。

上述可知,熔覆層的物相主要由TiN和TiB兩相組成,兩種粉末經(jīng)氬弧加熱后,Ni60A發(fā)生分解,TiN部分分解,Ni60A分解后游離的B元素和TiN分解后的Ti元素原位生成新的物相TiB。TiN并沒有完全分解,剩余的TiN和新相TiB共同組成了熔覆層的增強(qiáng)相。

圖4　熔覆層XRD圖譜

2.2復(fù)合涂層硬度和耐磨性

氬弧熔覆初始溫度高,冷卻速度極快,顆粒不能正常長(zhǎng)大,在晶粒形成時(shí)就停止生長(zhǎng),生成細(xì)小的顆粒,產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。熔覆層中分布大量增強(qiáng)相顆粒TiN和TiB,TiN和TiB的強(qiáng)度比較高,均勻的分布在涂層之中,產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。因此,涂層具有較高硬度和耐磨性,相對(duì)基體而言,硬度和耐磨性較之基體有明顯的提高。

圖5為氬弧熔覆試樣顯微硬度沿層深方向分布曲線。

圖5　氬弧熔覆試樣顯微硬度沿層深方向分布曲線

由圖5可見,涂層表面的最高硬度為14.83 GPa,靠近基體的涂層硬度下降明顯。這主要是由于涂層表面中存在大量的TiN和TiB增強(qiáng)相,TiN和TiB均勻彌散的分布在涂層中,使基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化,從而使涂層的顯微硬度提高。靠近基體的粉末有部分未分解的現(xiàn)象,增強(qiáng)相TiN和TiB含量降低,導(dǎo)致硬度下降,越靠近基體,硬度下降得越加明顯。到達(dá)深度1.4 mm時(shí),此時(shí)的硬度為基體硬度,僅為410 HV。Ni60A/TiN復(fù)合涂層的耐磨性比TC4合金基體有顯著提高,相同實(shí)驗(yàn)條件下TC4基體的磨損量是涂層磨損量的22倍,說明復(fù)合涂層具有良好的耐磨性能。

3　結(jié)　論

(1)采用氬弧熔覆技術(shù)在TC4合金表面制備了Ni60A/TiN復(fù)合涂層,TiB與TiN均勻彌散分布在熔覆層中,TiB呈大的方塊狀,TiN呈小的顆粒狀。

(2)氬弧熔覆涂層的硬度高達(dá)14.83 GPa,耐磨性是基體的22倍。

(3)在熔覆層中,B與Ti原位生成TiB,TiB與TiN共同組成了熔覆層的增強(qiáng)相,提高了熔覆層的耐磨性。

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(編輯徐巖)

Microstructure and wear performance of TiN/Ni60A coating by argon arc cladding on TC4 alloy

WANGJianyong1,DINGYuanzhu2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.Logistics Department, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is an effort to improve the surface hardness of TC4 alloy. The study involves preparing the composite coating by mixing Ni60A powder and TiN powder in a certain proportion on the surface of the TC4 alloy surface and preparing the TiN/TiB composite coating by argon arc cladding. The study is validated by analyzing microstructure and structure of the cladding layer by SEM, XRD and EDS and identifying the hardness and wear resistance of the cladding layer by means of micro hardness tester and wear tester. The research shows that under the action of argon arc, mixed alloy powder affords a large amount of TiN and TiB particles, uniformly distributed in the matrix, with the even and compact cladding layer, without pores and cracks, and with micro hardness up to 14.83 GPa and wear resistance 22 times higher than that of matrix.

composite coating; argon arc cladding; wear

2015-06-15

王建永(1986-),男,黑龍江省哈爾濱人,助理工程師,碩士,研究方向:材料表面工程,E-mail:qq359259051@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.002

TG174

2095-7262(2015)04-0357-04

A