鈦合金表面激光熔覆改性技術(shù)

1、鈦合金表面激光熔覆改性技術(shù)鈦合金表面激光熔覆改性技術(shù)2015-01-201激光熔覆技術(shù)激光熔覆技術(shù)原理：原理：在基材表面選擇合適的涂層材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面極稀薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后表面涂層，從而顯著改善基材表面特性的工藝方法。 特點(diǎn)特點(diǎn)：l 可以在工件表面制備高性能涂層，進(jìn)行單層或多層熔覆，涂層厚度不受限制l 冷卻速率高，熔覆層可以獲得細(xì)晶組織l 熔覆效率比較高，單道熔覆層厚度可以超過(guò)1mml 可以實(shí)現(xiàn)局部的精密熔覆和修復(fù)，減少后續(xù)加工l 熔覆層的成分和性能不受基體材料的影響。l 激光熔覆熱影響區(qū)小，不會(huì)破壞工件的力學(xué)性能激光熔覆技術(shù)原理圖鈦合金激光熔覆材料分類(lèi)鈦合金

2、激光熔覆材料分類(lèi)3l 陶瓷陶瓷 包括氮化物，碳化物，氧化物等，例如TiN，SiC，Al2O3，BN，TiB等。陶瓷材料常被用于鈦合金激光熔覆涂層，可以獲的很好的耐磨性以及良好的高溫性能。其缺點(diǎn)是陶瓷相很脆，易產(chǎn)生缺陷，采用預(yù)置粉法，有時(shí)很難得到均勻的涂層。l 金屬或合金金屬或合金 現(xiàn)在已經(jīng)很少使用單純的金屬或者合金作為熔覆層材料了。其中Ni基合金，F(xiàn)e基合金，Co基合金被廣泛使用。尤其是Ni基合金具有很好的高溫耐磨耐蝕性能，并且很容易和基體結(jié)合。l 復(fù)合材料復(fù)合材料 激光熔覆技術(shù)最常采用的材料，分為陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。一般使用金屬或合金作為基體，把硬質(zhì)的陶瓷相顆粒粘結(jié)在一起，起到彌

3、散強(qiáng)化的作用。常用的有TiTiC，AlTiC ， TiAlB4C，Ti + Ni + B4C等，在激光熔覆時(shí)原位生成TiC, TiB, TiNi, Ti2Ni等強(qiáng)化相。l 某些添加劑某些添加劑 稀土元素，例如Y，Ce，La具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，常被用作激光熔覆的添加劑。稀土元素可以起到細(xì)化晶粒的作用，還可以提高熔體流動(dòng)性，有利于熔渣的排除。氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YPSZ）也常被用來(lái)作為添加劑來(lái)抑制裂紋的產(chǎn)生。鈦合金在應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題鈦合金在應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題4l 耐磨性能 鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航天、航空、汽車(chē)、船舶和化工等部門(mén)中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料。但是，由于鈦合金硬度

4、較低（約360HV），用在摩擦部位時(shí)，易產(chǎn)生磨損而失效，這就阻礙了鈦合金的廣泛使用，限制了它在運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上的應(yīng)用。l 耐蝕性能和抗氧化性能 Ti是一種很活潑的金屬，在常溫下鈦合金表面會(huì)有一層致密的氧化膜起到保護(hù)的作用，但是在高溫下，氧化膜會(huì)失去保護(hù)的作用，導(dǎo)致鈦合金構(gòu)件因?yàn)檠趸g而失效。l 生物相容性 鈦合金具有較好的生物組織相容性和很高的比強(qiáng)度, 是制備人工骨骼 比較理想的材料。但是純Ti的機(jī)械強(qiáng)度較低，也不耐磨，為了提高Ti的機(jī)械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但這是以犧牲其生物相容性為代價(jià)的。這些合金元素會(huì)緩慢的釋放，對(duì)人體造成影響。提高耐磨性能提高耐磨性能激光熔覆

5、合成自潤(rùn)滑耐磨涂層激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層5自潤(rùn)滑耐磨涂層自潤(rùn)滑耐磨涂層：在熔覆層中包含一定量的固體潤(rùn)滑材料，如WS2，MoS2。這些材料具有很低的剪切強(qiáng)度，在摩擦條件下容易發(fā)生滑移，形成光滑的薄片，在中間起到潤(rùn)滑的作用。l 基材：Ti-6Al-4Vl 熔覆材料： NiCr/Cr3C230%WS2l 使用1.5KwCO2激光器，光斑直徑4mm，掃描速率6mm/s，N2作為保護(hù)氣l 得到結(jié)合良好的熔覆層提高耐磨性能的手段：提高耐磨性能的手段：l 提高材料表面硬度l 提高表面光潔度l 采用潤(rùn)滑劑采用TiN，SiC等陶瓷涂層雖然可以獲得很高的表面硬度，但是其摩擦系數(shù)一般也較高，這會(huì)導(dǎo)致摩擦?xí)r產(chǎn)生高

6、溫，高接觸應(yīng)力，不利于耐磨性能的提高。6熔覆層組成為：-NiCrAlTi/TiC + TiWC2/CrS + Ti2CS其中-NiCrAlTi 為柔軟的基體相，TiC + TiWC2為高硬度的碳化物相， CrS + Ti2CS，為彌散分布的硫化物，起到固體潤(rùn)滑的作用激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層熔覆層硬度在1000HV以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體材料（360HV）得益于大量的碳化物TiC + TiWC2彌散分布起到強(qiáng)化作用7激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層20下磨損形貌，左邊基材，右邊熔覆層l 使用直徑4mm的Si3N4陶瓷球，加載力5N，磨損40min。l 熔

7、覆層的摩擦系數(shù)比基體低很多，相應(yīng)的磨損量也低很多l(xiāng) 隨著溫度升高鈦合金摩擦系數(shù)降低，這是由于生成的氧化膜降低了表面的摩擦系數(shù)導(dǎo)致。l 隨著溫度升高熔覆層摩擦系數(shù)先下降再上升l 鈦合金的磨損機(jī)理為塑性變形，顯微切削l 熔覆層的磨損機(jī)理為疲勞磨損和磨粒磨損提高抗氧化性能提高抗氧化性能激光熔覆激光熔覆TiVCrAlSiTiVCrAlSi高熵合金涂層高熵合金涂層l 基材： Ti6Al4Vl 粉末：使用純度達(dá)99.5%的高純粉末，考慮到某些元素易損失，使用比為T(mén)i:V:Cr:Al:Si=6:13.9:11.5:11:8(wt.%)的粉末，來(lái)實(shí)現(xiàn)等摩爾比的熔覆。l 激光功率 2KW（CO2 激光器），掃描

8、速度 3.0mm/s，送粉率2 g/min，光斑直徑2.5mm，掃描間距1.5mml 左邊為熔覆層的宏觀(guān)形貌以及斷面組織l 可以看到熔覆層和基體形成良好的冶金結(jié)合。高熵合金高熵合金：具有5種或者5種以上合金元素以等摩爾比或近等摩爾比混合形成的固溶體合金。具有很好的力學(xué)性能，耐磨耐蝕性能和高溫性能。 希望用激光熔覆的方法在鈦合金表面制備高熵合金涂層來(lái)提高其高溫抗氧化性能。激光熔覆激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層的抗氧化性高熵合金涂層的抗氧化性9l 將熔覆層材料和基體材料分別在800 氧化氣氛中保溫24h，然后稱(chēng)量重量變化。l 鈦合金表面形成了約50 m的氧化膜，氧化膜并沒(méi)有很好的附著在基體

9、上，并且有很多細(xì)小的裂紋，無(wú)法對(duì)基體起到很好的保護(hù)作用。l 熔覆層表面生成了一層很薄的致密的氧化膜，氧化膜厚度約5m，比基材Ti6Al4V的氧化膜要薄很多。氧化膜緊緊依附于熔覆層表面，產(chǎn)生了很好的保護(hù)作用。激光熔覆激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層的抗氧化性高熵合金涂層的抗氧化性10l 氧化膜由SiO2，Cr2O3，TiO2，Al2O3和少量的V2O5組成，多種氧化物相互配合，起到了很好的保護(hù)作用。l 可以看到熔覆層材料的增重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基體Ti6Al4V。l 并且熔覆層在氧化膜形成后，增重基本停止，而Ti6Al4V一直持續(xù)的增重，說(shuō)明鈦合金高溫下形成的氧化膜無(wú)法起到保護(hù)的作用。提高生物相容

10、性提高生物相容性激光熔覆原位合成羥基磷灰石（激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層）涂層11材料和方法材料和方法: l 用TA2 鈦合金作為基材，使用CaCO3和CaHPO42H2O作為原料。為保證Ca/P元素比，和元素?zé)龘p，兩種粉末質(zhì)量比為20:80 wt.%，將兩種粉末混合。l 在清洗的鈦板上先鋪一層Ti粉(50 wt.%)和混合粉末(50 wt.%)作為過(guò)度層，再在上面鋪混合粉末，粉末厚度1mm。過(guò)渡層為了提高HA層的結(jié)合力。l 使用CO2連續(xù)激光器，光斑直徑4mm，功率600W，掃描速度3.5-11.2mm/s，使用Ar作為保護(hù)氣。 羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 ，是人體骨

11、骼和牙齒的主要成分，具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性。但是HA機(jī)械性能很差，非常脆，不能直接拿來(lái)使用。但是將其用于鈦合金表面改性可以將其生物相容性和鈦合金的強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)，是一種理想的植入物表面改性材料。合合成成反反應(yīng)應(yīng)激光照射下， CaHPO42H2O 失去其結(jié)晶水變成CaHPO4，然后分解成焦磷酸鈣Ca2P2O7。超過(guò)700 時(shí)， CaCO3分解生成CaO， CaO 可以和Ca2P2O7反應(yīng)生成 Ca3(PO4)2Ca3(PO4)2是用來(lái)合成HA的重要中間產(chǎn)物，在合適的條件下Ca3(PO4)2可以和CaO和H2O反應(yīng)生成HA12激光熔覆原位合成羥基磷灰石（激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層

12、）涂層可以看到熔覆層和過(guò)渡層，過(guò)渡層和基材都結(jié)合良好，沒(méi)有明顯缺陷。熔覆層中可以看見(jiàn)細(xì)小的直徑組織，沿著溫度梯度的方向生長(zhǎng)。XRD結(jié)果顯示，在熔覆層中有HA被合成出來(lái)。同時(shí)還有CaTiO3生成， CaTiO3主要集中在過(guò)渡層。13激光熔覆原位合成羥基磷灰石（激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層）涂層l 用細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（MTT）測(cè)試表面的生物相容性。l 490 nm波長(zhǎng)吸收光度可以測(cè)量表面的細(xì)胞數(shù)量l 隨著時(shí)間延長(zhǎng)，細(xì)胞數(shù)目都是增加的，但是HA涂層的細(xì)胞數(shù)量多于鈦合金表面。l 鈦合金表面細(xì)胞成梭型，細(xì)胞聚集在一起，較少鋪展開(kāi)；HA表面的細(xì)胞鋪展開(kāi)來(lái)并相互聯(lián)結(jié)?？梢钥闯鯤A表面的生物相容性較鈦合

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