不同扫描速度下激光熔覆修复TC4合金表面性能_崔静.pdf

不同扫描速度下激光熔覆修复 TC4 合金表面性能崔静1,王宬轩2,杨广峰1*（1中国民航大学航空工程学院,天津300300；2中国民航大学交通科学与工程学院,天津300300）摘要：在当前的航空产业中，激光熔覆是一种理想的 TC4 合金部件修复和表面处理技术，在工艺方面具有优于传统金属修复技术的优势。本工作在功率 2kW 下，通过不同的激光扫描速度，对合金试件表面进行激光熔覆修复加工，检测分析修复后表面的金相组织变化、电化学腐蚀性能和力学性能变化。结果表明：在激光修复过程中发生了显著的显微形貌变化；激光扫描速度为 150mm/min 的修复表面耐腐蚀性能最佳；200mm/min 的修复表面显微硬度和耐磨性能最佳。关键词：激光熔覆；金属表面修复技术；TC4 合金；表面性能doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000215中图分类号：TG156;V252;V267文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0105-10Surface performance of TC4 alloy repaired by laser cladding underdifferent scanning speedsCUIJing1,WANGChengxuan2,YANGGuangfeng1*（1.SchoolofAeronauticalEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China；2.SchoolofTransportationScienceandEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China）Abstract:Inthecurrentaviationindustry,lasermeltingisanidealtechniqueforrepairingandsurfacetreatmentofTC4alloyparts,whichhasadvantagesovertraditionalmetalrepairtechniquesintermsofprocess.Inthiswork,lasermeltingrepairprocesseswereperformed on the surface of alloy specimens by different laser scanning speeds at a power of 2 kW,and the changes inmetallographicorganization,electrochemicalcorrosionpropertiesandmechanicalpropertiesoftherepairedsurfacesweredetectedandanalyzed.Theresultsshowthatthesignificantmicrostructuralchangesareoccurredduringthelaserrepairprocess.Thebestcorrosionresistanceoftherepairedsurfaceisachievedatalaserscanningspeedof150mm/min.Thebestmicrohardnessandwearresistanceoftherepairedsurfaceareachievedat200mm/min.Key words:lasercladding；metalsurfacerepair；TC4alloy；surfacepropertiesTC4 钛合金（Ti6Al4V）具有密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁、生物相容性好等诸多优点，获得了广阔的应用空间，也是我国航空领域最先进入应用的钛合金种类1。然而，钛合金材料摩擦因数高、硬度低的缺点一直影响着其零部件的性能和使用寿命，部分机械构件易疲劳、发生轻微损坏2，而大量更换轻微受损部件将带来极高的运行和维护成本。因此，寻找一种低成本的便捷方法，对钛合金材料表面进行修复，以延长机械构件的使用寿命，降低企业生产的维护成本，是一项很有价值的研究课题。激光熔覆技术是一种新型的材料表面改性技术3，具有适用性强、加工效率高、熔覆层与构件基体相容性好、经济、环保等优点，在多种合金表面改性领域获得了广泛的应用4。已经有诸多学者通过激光熔覆技术在金属材料的修复和性能强化领域做出了卓有成效的研究，夏思海等5采用激光熔覆工艺在 TC4 钛合金基体表面制备了含不同质量分数 TiC 的 Ni60A 复合熔覆层，有效提升了熔覆层的平均硬度，降低了表面的摩擦因数；Qi 等6采2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第105114页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.105114用粉末预置激光熔覆技术，在 TC4 合金基体表面制备了混合碳化钨颗粒增强金属基复合材料涂层，发现添加有 TC4 粉末的混合涂层比纯碳化钨涂层强化效果更明显，其原因与涂层中碳化钨分布的均匀性有关。刘亚楠等7在 Ti811 合金表面制备出Ni 基稀土熔覆涂层，通过添加的稀土元素耦合增强涂层性能，并分析了激光扫描速度对涂层组织和性能的影响；Zhang 等8在 TC4 基体表面激光熔覆制备了 Ni60-六方氮化硼涂层，结果表明，该种涂层具有较高的显微硬度，在高温环境下表现出了优良的耐磨性能和减摩性能。谭金花等9在 TC4 合金表面通过多道激光熔覆制备了钛基 Ni60+BN 复合涂层,分析了不同扫描速度下涂层组织和性能变化；Rashid 等10通过激光熔覆对 300M 钢表面进行了修复，并对其修复后多方向的拉伸性能变化进行了研究，与仅磨削试样相比，熔覆修复后的试样具有更好的拉伸强度和弹性模量。当前对 TC4 钛合金性能强化的研究主要集中在利用其他元素增强熔覆层性能方面，通过熔覆相同成分粉末进行修复和性能强化的研究较少11-12，该种方法工艺简单，通过控制加工参数同样可以达到强化修复涂层的效果。本工作用激光熔覆技术在 TC4 合金表面制备修复涂层，并分析比较在一定功率下，不同扫描速度时的修复效果，探究使用大功率、大光斑工业级激光器进行产业化修复受损表面的可行性和最优参数配置。1 实验材料及方法 1.1 实验材料基体材料采用 TC4 合金，线切割成 50mm15mm5mm 的试件，用不同粗糙度的砂纸对试件进行表面打磨处理，用无水乙醇清洗，去除表面氧化层及污物。熔覆材料采用相同材质的 TC4 粉末，为减少粉末在熔覆过程中的氧化和飞溅对于修复效果的影响，将粉末用乙基纤维素和无水乙醇在加热条件下混合制成预制涂层胶体，均匀覆盖在待加工的 TC4 试件其中一个 50mm15mm 表面上，制成预制涂层，再进行激光熔覆加工处理。基体和熔覆层材料成分如表 1 所示。表1TC4 钛合金基体和熔覆粉末元素成分（质量分数/%）Table1CompositionofTC4titaniumalloymatrixandcladdingpowder（massfraction/%）FeCNHOAlVTi0.30.10.050.0150.25.5-6.83.5-4.5Bal 1.2 实验方法对预制涂层的试件用 COHERENTHighLight8000D 型激光系统进行单道熔覆加工，设置激光熔覆加工功率 P 为 2kW，氩气保护流量为 4.5L/min，光斑直径为 15mm，扫描速度 V 为 100、150、200、300mm/min，试件加工完成后观察宏观形貌，并进行 切 割、镶 嵌 之 后，依 次 采 用 80#、240#、600#、1000#、1500#砂纸打磨并用5、1、0.05 的金刚石悬浊液抛光，制备出截面和熔覆层表面试样，采用氢氟酸、硝酸、水的体积比为 1420 的 Kroll 腐蚀液对截面金相试样进行腐蚀处理，用 LEICAMEF4 型金相体视显微镜观察试件截面金相组织；通过 S-3400 型扫描电子显微镜（SEM）观察试件截面微观形貌；使用 EDS 能谱分析仪对试件截面进行元素能谱扫描；使用 HVS-1000Z 显微维氏硬度计对试件截面进行显微硬度测试；对熔覆层表面试样进行X 射线衍射（XRD）分析；使用 MetrohmAutolab 电化学工作站进行电化学腐蚀实验、使用销盘式摩擦磨损试验机对熔覆层表面进行摩擦磨损性能测试，设定实验压力为 49N；转盘转速为 100r/min；进行旋转摩擦 15min，测量滑动摩擦力并计算摩擦因数，在摩擦实验结束后使用探针式磨痕测量仪检测磨痕深度，计算磨损体积。摩擦环中径约为4mm。2 结果与讨论 2.1 宏观形貌分析图 1 为试件在不同的扫描速度下熔覆表面的宏 观 形 貌。由 图 1 可 以 看 出，当 试 件 使 用100mm/min 的速度进行熔覆加工时，熔覆材料和试件表面接收能量较为充分，加工表面受到强热，迅速熔化，呈现出较为明显的熔融态，并受激光的热冲击而流动，冷却形成由左向右的波纹状，表层氧化膜为红棕色，较为粗糙（图 1（a）；当扫描速度增大到 150mm/min 时，表面氧化层红棕色区域颜106航空材料学报第43卷色变浅，部分区域颜色转深，表面流动行为减弱，熔融痕迹变浅，粗糙程度下降（图 1（b）；当扫描速度增大到 200mm/min 时，整个熔覆表面的形貌发生了较大改变，红棕色区域逐渐蜕化，转化为灰黑色，表面的粗糙程度进一步下降，熔融痕迹较浅（图 1（c）；当扫描速度增大到 300mm/min 时，熔覆表面呈现出深灰黑色至藏青色，部分区域有一定光泽，表面附着有细小颗粒，几乎没有表面熔化流动痕迹，总体更加光滑、平整（图 1（d）。图 2 为体视显微镜观察到的试件截面金相组织宏观形貌。由图 2 可知，各试件在熔覆后均存在比较明显的分区分层现象，按照不同的宏观形貌特点可分为熔覆层（claddinglayer，CL）、热影响区（heataffectedzone，HAZ）和未受热区域（unaffectedzone，UZ），但其形貌在不同加工工艺参数下展现出不同的状态。UZUZUZHAZHAZHAZHAZCLCLCLCL2000 m2000 m2000 m2000 m2000 m2000 mUZUZUZHAZHAZHAZHAZCLCLCLCL2000 m(a)(b)(c)(d)图2不同的扫描速度激光熔覆层截面金相宏观形貌（a）100mm/min；（b）150mm/min；（c）200mm/min；（d）300mm/minFig.2Cross-sectionmetallographicmacroscopicmorphologiesofspecimensrepairedbylasercladdingatvariousscanningspeeds（a）100mm/min；（b）150mm/min；（c）200mm/min；（d）300mm/min当以 100mm/min 的速度扫描时，截面有明显的受热痕迹，熔覆材料和试件表面充分熔化，在激光热冲击下结合形成较厚的熔覆层区域，热影响区域为试件基体内部，由于热输入较高，受热范围扩大到整个截面，表现出典型的青色大理石状金相形态，发生了显著的相变，图中可见不同颜色深浅的 晶粒（图 2（a）；当以 150mm/min 的速度扫描时，由不同晶粒反射的颜色可以看出熔覆层与热影响区体现出了一致的色彩反映，而晶粒相较后者更大，可以区分出熔覆层与基体热影响区的位置差异，且二者发生了紧密的冶金结合（图 2（b）；当扫描速度增加到 200mm/min 后，重新出现三层金相分层，熔覆层和热影响区变薄，晶粒更加细小，区域分界明显（图 2（c）；在扫描速度增大到 300mm/min 时，受热效果持续减弱，熔覆层，热影响区域集中在表面附近，未受热的基体占截面的主要部分，10 mm10 mm10 mm10 mm10 mm10