激光熔覆原位合成TiC-FeAl復(fù)合涂層研究.pdf

1、傳統(tǒng)鋼鐵類零件常因表面磨損失效造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，在易磨損零件表面制備高硬度、高耐磨性的熔覆層是延長使用壽命、修復(fù)失效部件的重要途徑。本文采用激光熔覆結(jié)合原位合成技術(shù)，以同軸送粉的方式，在Q235鋼表面制備TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)FeAl基耐磨熔覆層。通過DSC及XRD測試技術(shù)，對Fe-Al-Ti-C體系的熱力學(xué)、動力學(xué)進(jìn)行了分析，研究體系反應(yīng)熱力學(xué)，建立激光熔覆制備原位自生TiC/FeAl基耐磨涂層的動力學(xué)模型。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜

2、分析、維氏硬度計(jì)及磨損試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，研究在不同熔覆粉末成分以及不同工藝參數(shù)下熔覆層的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、相組成、硬度和耐磨性能，分析復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制和磨損機(jī)制，獲得了最佳工藝參數(shù)。
　　由熱力學(xué)分析可知，F(xiàn)e-Al-Ti-C體系中TiC的生成吉布斯自由能最低，但低溫階段以鐵鋁金屬間化合物通過擴(kuò)散反應(yīng)形成為主；高溫階段以原位自生TiC的析出為主，通過控制溫度等參數(shù)可以消除Al3 Ti以及Al4C3。熔覆材料Fe-Al-Ti-C體系中

3、，鐵鋁金屬間化合物原位反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制為：擴(kuò)散、反應(yīng)、冷卻；原位合成TiC的動力學(xué)機(jī)制為：熔化、擴(kuò)散、反應(yīng)、冷卻。該體系的主體反應(yīng)主要包括Al熔點(diǎn)以下Al與Fe通過擴(kuò)散生成鐵鋁金屬間化合物；Al熔融轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗪?，生成Al3Ti中間產(chǎn)物；高溫階段，Al3Ti分解以及富Ti層內(nèi)C、Ti界面接觸處發(fā)生反應(yīng)，大量生成TiC?；诶碚摲治龊蛣恿W(xué)方程計(jì)算，建立Fe-Al-Ti-C體系激光熔覆制備原位合成TiC/FeAl基復(fù)合涂層的動力學(xué)模型。由動力

4、學(xué)模型方程可知，富鈦層厚度降低、碳顆粒粒徑減小、鋁含量降低以及體系溫度升高都會導(dǎo)致反應(yīng)速度加快，反應(yīng)程度提高。
　　采用氬氣保護(hù)，F(xiàn)e、Al、Ti、C粉末含量分別為42wt％、28wt%、24wt%、6wt%，激光功率2.2kW，光斑直徑6mm，掃描速度5mm/s，熔覆后可以得到外觀平整、與基體具有良好冶金結(jié)合的熔覆層。熔覆層由彌散分布的黑色球狀、塊狀的陶瓷TiC和灰白色棒狀及塊狀FeAl相構(gòu)成；熔合線附近粗大柱狀晶為母材熔化后向

5、熔覆層擇優(yōu)生長的α-Fe相，從熔覆層表面到基體TiC的含量逐漸減少，顆粒粒徑逐漸增大，柱狀晶區(qū)域幾乎沒有TiC存在。
　　隨著Al含量、激光功率和激光掃描速度的增大，熔覆層的磨損率都呈先降低后升高的趨勢，即熔覆層的耐磨性具有最佳值。熔覆粉末Al粉42wt%，Ti粉24wt%、C粉6wt%（其余為Fe粉）時，激光掃描速度為5mm/s，激光功率2.2kW時，熔覆層的硬度值最高，達(dá)到HV2028，從熔覆層頂端到熔合線，顯微硬度呈由高到低