基于等离子喷焊原位颗粒增强复合材料强化层冶金反应机理研究

Nowadays, due to the increasing demands of titanium alloy with high performance for the development of industry, the investigations on strengthened layers titanium alloy become more and more important. In this study, the in-situ TiN, TiN-ZrN, and TiN-NbN reinforced Ti based composite layers are designed and prepared on Ti6Al4V alloy by plasma spray welding. Effects of welding parameters on microstructures, metallurgical defects, weld shape, temperature distribution, and mechanical properties of composite layers are studied, and their effect mechanisms are revealed. In addition, phase composition, distribution of reinforcements, interface characteristics between reinforcements and metal matrix, and interface microstructures between composite layers and base metal are studied. Based on the results, metallurgical reaction mechanism and microstructure of composite layers are revealed. The crack sensitivity, oxidation mechanism, and frictional wear mechanism are also in-depth studied. Based on the experimental results, the powder composition and welding parameters are optimized. In order to analysis the effect of La2O3, CeO2 on microstructure control and strength mechanism of composite layers, effects of different content of La2O3, CeO2 powders on phase composition, reinforcement structures, crystal growth, and high-temperature behavior of composite layers are investigated. The results not only enrich in-situ synthesis theory but also expand the application of titanium alloy in aerospace field, having important science significance.

工业发展对高性能钛合金的需求愈来愈高，钛合金表面强化层的研究显得尤为重要。本项目以Ti6Al4V合金为母材，通过金属粉末与N2的反应，利用等离子喷焊技术制备原位TiN、TiN-ZrN、TiN-NbN颗粒增强Ti基复合材料强化层。研究喷焊参数对微观组织、冶金缺陷、熔池形貌及力学性能的影响规律，揭示其影响机理。研究复合材料强化层的相组成、增强相分布特征、增强相与金属基体的界面特征、强化层与母材界面的微观组织特点以及熔池凝固规律，揭示复合材料强化层的冶金反应机理及微观组织演变规律。研究强化层的开裂机理、高温氧化性及摩擦磨损机制，综合评价复合材料强化层，优化成分及参数。研究La2O3、CeO2对复合材料强化层相组成、增强相晶体结构、生长特征及高温性能的影响规律，分析La2O3、CeO2对复合材料强化层的组织调控及强化机制。本研究对丰富原位制备理论、拓展钛合金在航天航空领域的发展具有重要的科学意义。

随着工业技术的不断创新与发展，钛合金的应用日趋多样化，高速、高温、高摩擦及强腐蚀性的工作环境对钛合金性能的要求越来越高。本项目采用等离子喷焊技术，在TC4母材表面制备原位氮化物颗粒增强的钛基复合材料强化层，研究其微观组织特点及高温性能，为拓展钛合金的使用提供理论依据。首先选择Ti-Cr-Ni合金体系，对等离子喷焊参数进行正交优化实验，得到优化的参数为焊接电流63-68A、送粉量6.5g/min、焊接速度0.8mm/s、等离子气流量为4.4L/min、保护气流量为6 L/min、送粉气流量为5 L/min、焊枪距工件高度为11mm。以优化参数为基础，完成复合材料强化层的制备。Ti-Cr-Ni系复合材料强化层的微观组织特点为，原位生成的TiN颗粒均匀的分布在Ti基体中，TiN颗粒与Ti基体的结合界面干净、无污染，有利于提高整体性能。基于Ti-Cr-Ni系的研究结果，通过添加不同质量的Nb(Zr)粉末，来制备Ti-Cr-Ni-Nb(Zr)系复合材料强化层。Ti-Cr-Ni-Nb(Zr)系复合材料强化层中，部分Nb(Zr)固溶到Ti基体中，部分会原位生成(Ti,Nb)N和(Ti,Zr)N增强相颗粒。复合材料强化层的硬度显著提高，达到TC4母材的3倍以上。高温氧化试验结果表明，TC4合金母材在750℃下恒温氧化60h后就开始鼓泡、剥落，在750℃循环氧化40h就开始大面积剥落，而复合材料强化层在很长时间内仍然未发生脱落，并且与母材相比，氧化增重均大幅度减小，说明复合材料强化层的抗高温氧化性得到显著提高。摩擦磨损试验表明，随着载荷、转速的增加，试样的磨损失重增加，高温条件下的磨损失重明显高于室温下，主要原因是高温加速了摩擦磨损过程。在同等条件下，复合材料强化层的磨损失重明显小于TC4母材，说明耐磨性得到提高。通过对合金体系成分的优化，得到较优的粉末配比（Ti:Cr:Ni:Nb=6:1:1:2）和（Ti:Cr:Ni:Zr=6:1:1:2）。