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TiAl4V4上TiAl金属化合物的激光熔覆处理优化和属性
摘要
为了提高Ti6Al4V的耐高温性能和摩擦学性能，研究了同轴激光熔覆Ti6Al4V基体上Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物（Ti-48Al-2Cr-2Nb）涂层。激光熔覆技术是一种新兴的激光材料加工技术，它可以利用高功率激光束作为热源在基板上沉积厚的保护涂层。激光熔覆是一个多参数依赖过程。对激光功率、送粉速度、扫描速度、预热温度等主要工艺参数进行了优化。这个用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对涂层的微观结构和几何量（包层面积和稀释度）进行了表征，并用双色高温计测量了包层在冷却过程中的冷却速率。这一结果与缺陷学和机械涂层性能有关。
1介绍
提高涡轮机械（航空工业和发电工业中使用的）的能效和功率与提高其最高工作温度有关，需要开发耐高温材料。实现耐高温性能的一种方法是研制出适合用作热障涂层（TBC）的高温性能良好的涂层。热障涂层为基材提供隔热，并在高温下保护其免受腐蚀和侵蚀，Osorio等人（2012年）。近年来，激光熔覆受到了广泛关注。与传统的涂层工艺（如电弧焊或等离子喷涂）相比，它具有许多优点：激光熔覆技术允许沉积优质金属涂层，从而提供高精度和低热效应的基材。这一过程涉及到用大功率激光在基板上熔化粉末，从而稀释进料。提供优良的冶金涂层附着力。Toyserkani和Khajepour（2005年）。
目前，Ti-6Al-4V合金是目前最流行的钛合金。在使用的钛合金中，有50%以上是由Ti-6Al-4V制成的，但其使用温度限制在400℃以下。为了提高这种材料的温度操作，本研究对金属间Ti涂层进行了研究。钛铝金属间合金是一种高温应用材料（工作温度600-760°C），由于其熔点高（1440°C），密度低，弹性模量高，结构稳定性好，比电阻高于钛合金，相当于镍基高温合金。Leyens和Peters（2003），Huang等人（2012）。
本文旨在对Ti6Al4V上TiAl金属间合金激光熔覆层进行优化分析。
2 实验程序
本研究中使用的粉末为Ti-48Al-2Cr-2Nb（%at.），由TLS Technik提供，粒径在100-200mu;m之间。使用矩形Ti-6Al-4V片材作为基材。
为了研究激光熔覆的主要参数（激光功率、送粉速度、扫描速度和预热温度）对熔覆效果的影响，初步进行了单熔覆轨迹实验。激光功率在500-900W范围内测试，扫描速度在100-600 mm/min之间，送粉速度在1-4g/min之间。根据优化后的单线结果，进行了多道涂层。
实验装置如图1所示。激光熔覆系统由Nd:YAG激光器（波长1064nm）Trumph型号HL1006D组成，最大输出功率为1KW。光通过直径为0.6 mm的光纤被引导到包含光学系统的激光头上，聚焦透镜为200 mm。光学系统组装到包层同轴喷嘴上。在本次研究中，激光直径设置为2 mm，样品放置在距熔覆喷嘴8 mm处。添加添加剂时，采用苏尔寿双10C分配系统。运动系统由西门子数字CNC控制的4级XYZC组成。
在包层工艺之前和期间，在350或450℃下用加热板对基板进行预热（为了防止对基板微观结构的不良改变，预热温度设定在500℃以下）。使用数字高精度IMPAC IGAR 12-LO双色高温计测量轨道随时间变化的温度，该高温计能够测量550-2500摄氏度范围内的温度。
在轨道的固定点上测量温度。使用Microsoft Excel软件将温度数据转换成图表。根据这些图表，计算了每条轨道的冷却速度。
激光熔覆后，通过渗透液（NDT）对涂层进行评估，以观察可能的宏观缺陷。使用了pfinder 860彩色对比渗透剂和pfinder 870显影剂。
为了分析涂层的微观结构和几何量，制备了金相样品。样品被切割成与包层方向垂直的方向。他们是用标准机械设备准备的。抛光程序在92%H2O、2.5%HF和5.5%HNO3溶液中蚀刻。采用共焦显微镜莱卡斯坎DCM3D对金相样品进行了检测，并使用了IMAGEJ图像分析软件。
用Jeol JSM 6300扫描显微镜进行了扫描电镜分析，包括EDX显微分析。
图1激光熔覆系统示意图
对于单激光轨迹几何特征，测量了激光轨迹横截面的主要变量（图2）。它们分别是：包层高度h（mu;m）、包层宽度w（mu;m）、包层面积ac（mu;m2）和熔融面积am（mu;m2）。由此计算出稀释度d=am/（ac am）和展弦比ar=w/h。通过显微硬度试验测定了涂层的力学性能。根据ISO 4516使用维氏显微硬度机（HV0.1/10）进行研究。
图2 激光轨道截面：主要几何量。（覆层高度h，覆层宽度w，覆层面积ac，熔化面积am）
3 结果和讨论，单轨激光熔覆
3.1 几何分析
激光轨迹最重要的几何特征是稀释率和展弦比。长宽比与重叠轨道中出现的气孔和裂纹有关。为了确保良好的重叠，建议3和5之间的纵横比。斯蒂恩（2003）。另一方面，稀释度量化了在熔覆过程中熔化并与熔覆材料混合的基板材料的相对量。激光熔覆目的是将一种金属与另一种金属覆盖在一起，以形成界面结合，而不使用基体材料稀释熔覆金属，尽管需要一些稀释来保证良好的冶金结合。deOliveira等人（2005年）。
如表1所示，送粉速度为2g/min的轨道具有较高的展弦比（大于5），即以4g/min（小于5）的速度运行的轨道。此外，轨道1至9的稀释值非常高（介于15-40%），对于轨道10至18，稀释几乎可以忽略不计，即稀释度随着粉末进料率的降低而增加。
基于冷却速度测量和无损检测（渗透液），进行了第二组测试，以降低扫描速度，以降低冷却速度，从而减少涂层开裂。
表1 轨道的加工参数和几何量 设置1
|
序号 |
激光功率（W） |
扫描速度（mm/min） |
供电速率（g/min） |
350ordm;C |
450ordm;C |
||||||
|
宽度（mu;m） |
高度（mm） |
宽高比（w/h) |
稀释度（%） |
宽度（mu;m） |
高度（mm） |
宽高比（w/h) |
稀释度（%） |
||||
|
1 |
700 |
300 |
2 |
2744 |
508 |
5.5 |
15.0% |
2779 |
536 |
5.2 |
15.2% |
|
2 |
800 |
300 |
2 |
3035 |
550 |
5.4 |
16.8% |
3123 |
532 |
5.9 |
20.3% |
|
3 |
900 |
300 |
2 |
3297 |
595 |
5.5 |
22.6% |
3397 |
550 |
6.2 |
24.9% |
|
4 |
700 |
450 |
2 |
2518 |
375 |
6.7 |
21.1% |
2547 |
386 |
6.6 |
23.1% |
|
5 |
800 |
450 |
2 |
2770 |
430 |
6.4 |
26.5% |
2822 |
371 |
7.6 |
34.3% |
|
6 |
900 |
450 |
2 |
2994 |
427 |
7.0 |
31.3% |
3102 |
389 |
8.0 |
35.3% |
|
7 |
700 |
600 |
2 |
2327 |
332 |
7.0 |
28.2% |
2391 |
272 |
8.8 |
33.3% |
|
8 |
800 |
600 |
2 |
2567 |
324 |
7.9 |
37.2% |
2623 |
324 |
8.1 |
33.2% |
|
9 |
900 |
600 |
2 |
2789 |
363 |
7.7 |
38.0% |
2839 |
322 |
8.8 |
43.1% |
|
10 |
700 |
300 |
4 |
2734 |
1131 |
2.4 |
2999 |
1017 |
3.0 |
0.0% |
|
|
11 |
800 |
300 |
4 |
3008 |
1195 |
2.5 |
3110 |
1024 |
3.0 |
1.5% |
|
|
12 |
900 |
300 |
4 |
3341 |
1175 |
2.8 |
1.6% |
3393 |
1068 |
3.2 |
6.7% |
|
13 |
700 |
450 |
4 |
2442 |
827 |
3.0 |
2.0% |
2586 |
734 |
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