Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen

1 Technologie zur Oberflächenmodifizierung von Titanlegierungen
Titanlegierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit aus. Sie werden широко in der Luft- und Raumfahrt, bei Gehäusen, im Automobilbau, in der Medizin und in anderen Bereichen eingesetzt. Allerdings weisen Titanlegierungen einen hohen Reibungskoeffizienten auf, sind sehr empfindlich gegenüber adhäsivem Verschleiß und Mikroverscheiß, besitzen eine geringe Verschleißbeständigkeit, entzünden sich bei Reibung mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit leicht und haben eine relativ geringe Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation. Dies beeinträchtigt die Sicherheit und Zuverlässigkeit ihrer Struktur erheblich und schränkt ihre Anwendung stark ein.

Daher ist die weitere Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Titanlegierungen, beispielsweise der Verschleißbeständigkeit, der Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und der Korrosionsbeständigkeit, zu einem dringend zu lösenden Problem geworden. Neben der Verbesserung der Zusammensetzung und des Herstellungsverfahrens der Legierung ist die Oberflächenmodifizierung von Titanlegierungen derzeit die wirksamste Methode.

Bei herkömmlichen Technologien zur Oberflächenmodifizierung ist die Ionenimplantation durch die Ionenimplantationsenergie begrenzt, sodass die Verstärkungsschicht sehr flach ist; Ionenkohlenstoff-, Bor- und Nitrierverfahren haben den Nachteil langer Bearbeitungszyklen und einer leichten Verformung der Werkstücke bei hohen Temperaturen; die modifizierte Schicht des thermischen Spritzens weist eine lockere Struktur und eine relativ geringe Haftfestigkeit zum Grundwerkstoff auf, außerdem lässt sich nur schwer eine metallurgische Verbindung mit hoher Haftfestigkeit bilden. Die Laseroberflächenmodifizierung ist ein Ergebnis der Kombination von Lasertechnologie und Wärmebehandlung von Metallen. Dabei wird extrem hohe Energie auf die Materialoberfläche aufgebracht, um physikalische und chemische Veränderungen hervorzurufen und dadurch Härte, Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatureigenschaften des Materials deutlich zu verändern. Aufgrund der extrem hohen Aufheizgeschwindigkeit infolge der hohen Energiedichte, der präzise steuerbaren Leistungsabgabe und der Möglichkeit zur selektiven Bearbeitung lokaler Oberflächen hat die Laseroberflächenmodifizierung große Aufmerksamkeit erlangt.

2 TiC/Ti-Verbundwerkstoff-Auftragsschicht
Laserauftragschweißen, auch als Laserbeschichten oder Laserschmelzen bezeichnet, ist eine neue Technologie zur Materialbearbeitung und Oberflächenmodifizierung. Dabei wird Pulver mit speziellen Eigenschaften (beispielsweise Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Oxidationsbeständigkeit) auf die Metalloberfläche aufgesprüht oder synchron mit dem Laserstrahl zugeführt. Unter Einwirkung des Laserstrahls schmilzt es, breitet sich aus und erstarrt schnell, wodurch eine riss- und porenfreie, metallurgisch gebundene Schicht auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs entsteht. Es handelt sich um eine Technologie zur Oberflächenmodifizierung. Die Laserauftragschweißtechnik bietet folgende Vorteile: 1) Der Laserstrahl besitzt eine hohe Energiedichte, eine hohe Abkühlgeschwindigkeit während der Erstarrung und eine feine Erstarrungsstruktur der Laserauftragsschicht; 2) Je nach Bedarf können an verschiedenen Stellen desselben Bauteils unterschiedliche Auftragsschichten aufgebracht werden: 3) Die Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Auftragsschicht ist metallurgischer Natur, und die Struktur der Auftragsschicht weist deutliche Gradientenmerkmale auf, sodass Auftragsschicht und Grundwerkstoff gut verbunden sind.

Das Laserauftragschweißen ist die am häufigsten eingesetzte Laseroberflächenmodifizierungstechnologie für Titanlegierungen. Je nach Zusammensetzung und Eigenschaften der durch das Laserauftragschweißen erzeugten Schicht wird hauptsächlich zwischen verschleißbeständigen, hochtemperaturoxidationsbeständigen, biologischen und thermischen Barriereschichten unterschieden. Die Verschleißbeständigkeit von Titanlegierungen ist relativ gering, daher konzentriert sich die Forschung zum Laserauftragschweißen auf Titanlegierungsoberflächen hauptsächlich auf die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit. Zu den Materialien für verschleißbeständige modifizierte Laserschichten auf der Oberfläche von Titanlegierungen gehören hauptsächlich B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, Si C, Ti B, TiB2, A1203 usw.

Keramische Werkstoffe besitzen eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit. Ihre Sprödigkeit, geringe Ermüdungsfestigkeit, Empfindlichkeit gegenüber Spannungen und Rissen sowie ihre schwierige Bearbeitbarkeit schränken jedoch ihre Anwendung ein. Die Erforschung der Technologie keramischer Laserauftragsschichten auf Titanlegierungsoberflächen hat den Anwendungsbereich keramischer Werkstoffe erweitert. Dabei werden die hervorragenden Eigenschaften keramischer Werkstoffe mit der Zähigkeit und guten Verarbeitbarkeit von Titanlegierungen organisch kombiniert, sodass die umfassenden Vorteile beider Werkstoffarten voll genutzt werden. Dadurch lassen sich die Anforderungen an Struktureigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit usw.) und Umwelteigenschaften (Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit usw.) erfüllen und sehr ideale Verbundwerkstoffstrukturen erzielen.

3 Laserlegieren der Oberfläche von Titanlegierungen
Beim Laserlegieren werden ein oder mehrere Legierungselemente unter Einwirkung eines energiereichen Laserstrahls schnell mit der Oberfläche des Grundwerkstoffs aufgeschmolzen. Dabei wird mithilfe des Lasers die chemische Zusammensetzung der Metall- und Legierungsoberfläche verändert. Diese Methode bietet folgende Vorteile:

1) Nach der lokalen Oberflächenbehandlung von Metallbauteilen lassen sich die Eigenschaften fortschrittlicher Legierungen erzielen;

2) Tiefe und Breite der modifizierten Schicht lassen sich präzise steuern;

3) Aufgrund des großen Temperaturgradienten der durch den Laser erhitzten Schicht ist die Verbindungsschicht schmal, die Verbindungsqualität gut und der nachteilige Einfluss auf die Eigenschaften des Grundmetalls minimal. Der Unterschied zwischen Laserlegieren und Laserauftragschweißen besteht darin, dass beim Laserlegieren die hinzugefügten Legierungselemente und die Oberflächenschicht des Grundwerkstoffs im flüssigen Zustand vollständig vermischt werden, um eine Legierungsschicht zu bilden; beim Laserauftragschweißen wird dagegen die vorab aufgebrachte Schicht vollständig aufgeschmolzen und die Oberflächenschicht des Grundwerkstoffs leicht angeschmolzen, sodass Auftragsschicht und Grundwerkstoff metallurgisch verbunden werden, während die Zusammensetzung der Auftragsschicht im Wesentlichen unverändert bleibt.

4 Herstellung einer lasergeschmolzenen Titanplatte

Laserschmelzen bezeichnet das Scannen der Werkstückoberfläche mit einem Laserstrahl hoher Energiedichte, wobei eine dünne Oberflächenschicht aufgeschmolzen und mit extrem hoher Abkühlgeschwindigkeit wieder erstarrt wird. Durch das Laserschmelzen lässt sich auf der Oberfläche metallischer Werkstoffe eine modifizierte Schicht mit hoher Härte, hoher Beständigkeit und guten Hochtemperatureigenschaften erzeugen, während der Kern des Bauteils weiterhin eine gute Zähigkeit aufweist. Dadurch erhält das Bauteil eine gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und hohe Ermüdungsfestigkeit. Das Laserschmelzen ist ein lokaler, schnell erstarrender, physikalisch-metallurgischer Nichtgleichgewichtsprozess. Diese Methode zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte, eine geringe Werkstückverformung und einen einfachen Prozess aus. Insbesondere kann der Temperaturgradient an der Erstarrungsgrenzfläche des Laserschmelzens bis zu 103 K/mm und die Erstarrungsgeschwindigkeit bis zu mehreren Metern pro Sekunde betragen, wodurch sich ultrafeine Gefüge und Strukturen erzielen lassen. Daher wird die Laserschmelztechnologie in den letzten Jahren широко in der Technologie zur Oberflächenmodifizierung von Metallen eingesetzt und auch auf Titanlegierungsoberflächen angewendet.

5 Lösung des Problems von Laseroberflächenrissen
Obwohl die Laseroberflächenmodifizierung von Titanlegierungen derzeit широко eingesetzt wird, sind prozesstechnisch noch viele Probleme zu lösen. Das erste ist das Problem von Rissen bei der Laseroberflächenmodifizierung. Darüber hinaus stellt die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Laserbearbeitung, insbesondere die geringe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse des Laserlegierens und Laserauftragschweißens mit Keramikpulvern, ein weiteres großes Problem dar.

5.1 Prozessparameter des Laserstrahls bei der Laseroberflächenmodifizierung Die Prozessparameter der Laseroberflächenmodifizierung umfassen hauptsächlich Laserleistung, Punktgröße, Scangeschwindigkeit, Überlappungsrate und Energieverteilung des Laserstrahls. Sie beeinflussen die Qualität der modifizierten Schicht. Die Energieverteilung des Laserstrahls wird durch das Modell des Laserstrahls beschrieben. Dazu gehören hauptsächlich vier Modelle: Gauß-Modell, Multimodenmodell, Rechteckmodell und Modell mit konkaver Oberseite. Der Gauß-Strahl eignet sich am besten für Schneid- und Schweißanwendungen, jedoch nicht für die Laseroberflächenmodifizierung. Er neigt dazu, im Grundwerkstoff eine tiefe Vergasung und Aufschmelzung zu verursachen. Bei der Modifizierung mit mehreren Lasern entstehen an den Überlappungsbereichen der modifizierten Schicht leicht schwere Fehler wie Einbrüche und Poren. Um eine ebene und leistungsfähige modifizierte Schicht zu erhalten, müssen diese Parameter umfassend optimiert werden, um die beste Kombination zu erreichen.

5.2 Nanodichte und Rissbildungsmechanismus während der Modifizierung
Die Laseroberflächenmodifizierung von Titanlegierungen ist ein metallurgischer Prozess des schnellen Aufschmelzens und Erstarrens. Während der Laserbearbeitung treten komplexe physikalische und chemische Phänomene wie Wärmeübertragung, Stoffübertragung, Konvektion, Diffusion und Phasenumwandlung auf. Auf der Oberfläche der modifizierten Schicht und in der Übergangszone zwischen modifizierter Schicht und Grundwerkstoff entstehen sehr leicht Risse. Innere Defekte wie Risse beeinträchtigen die Qualität der modifizierten Schicht erheblich. Daher ist der Mechanismus der Rissbildung während der Lasermodifizierung zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. Viele Wissenschaftler haben Methoden zur Risskontrolle während der Lasermodifizierung vorgeschlagen, darunter hauptsächlich die Optimierung der Prozessparameter der Lasermodifizierung, die Anpassung der Materialien der modifizierten Schicht, die Modifizierung der Laserschicht durch Zusatzstoffe, das Vorwärmen und langsame Abkühlen der Titanlegierungssubstrate während der Lasermodifizierung sowie die Einführung von Ultraschallschwingungen während der Lasermodifizierung. Studien haben gezeigt, dass die Einführung von Ultraschallschwingungen beim Laserauftragschweißen die Fließfähigkeit des flüssigen Schmelzbads verbessern kann, sodass Blasen schnell entweichen und das Gefüge gleichmäßiger verteilt wird; die Anwendung von Ultraschallschwingungen während des Erstarrungsprozesses kann die wachsenden Dendriten aufbrechen und sie in verschiedenen Bereichen der Schmelze verteilen, wodurch gleichmäßig verteilte kleine Keime entstehen. Ultraschallschwingungen können außerdem das Nachfüllen der Poren zwischen den Dendriten durch die Flüssigkeit erleichtern. Dies trägt dazu bei, Schrumpfungshohlräume zu verringern und die Quelle der Zugspannungen teilweise zu beseitigen, wodurch die Rissbildung in der wiedergeschmolzenen Schicht reduziert wird. Die Kavitation und die Rührwirkung von Ultraschallwellen im Schmelzbad können die Temperatur des Schmelzbads ausgleichen, den Erstarrungszustand verbessern sowie thermische Restspannungen und die Rissanfälligkeit verringern.

5.3 Zusammengesetzte Gradientenschicht
Parallel zur Entwicklung der einstufigen Laseroberflächenmodifizierung hat sich die kombinierte Laseroberflächenmodifizierungstechnologie, die zwei oder mehr Oberflächenmodifizierungstechnologien integriert, rasch weiterentwickelt. Die kombinierte Laseroberflächenmodifizierung kann nicht nur die Oberflächeneigenschaften von Titanlegierungen verbessern, sondern auch die Oberflächenmorphologie der modifizierten Schicht optimieren und die Rissbildung verringern. Golbeeiwski M et al. stellten durch Glimmentladungs-Plasmanitrieren und Laserschmelzen auf einem Titanlegierungssubstrat eine zusammengesetzte Gradientenschicht her, die TiN und Ti2N enthält, wodurch die Oberflächeneigenschaften der Titanlegierung erheblich verbessert wurden. Yilbas B.S. et al. schieden mithilfe der PVD-Technologie TiN auf einer laser-nitrierten Titanlegierung ab und stellten fest, dass die Haftfestigkeit und Scherfestigkeit der gebildeten TiN-Filmschicht zum Titansubstrat im Vergleich zu einer ausschließlich mittels PVD-Technologie hergestellten Filmschicht deutlich verbessert waren.

5.4 Struktureigenschaften plasmagespritzter nanokompositkeramischer Schichten
Aufgrund ihrer besonderen Struktur besitzen Nanomaterialien hervorragende Eigenschaften, die mit herkömmlichen Werkstoffen nur schwer zu erzielen sind. Dies schafft günstige Voraussetzungen für die Verbesserung der Eigenschaften von Laseroberflächenmodifizierungsschichten auf Titanlegierungen. Durch die Kombination von Nanopulvern mit der Laseroberflächenmodifizierungstechnologie und die Herstellung einer oberflächenmodifizierten Verbundschicht mit Nanostrukturen auf Titanlegierungen lassen sich die mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Titanlegierungsoberfläche verändern, der Oberfläche neue Funktionen verleihen und eine Verbindung von Oberflächenmodifizierung und Funktionalisierung erreichen.

Die Laseroberflächenmodifizierung ist eine ideale Technologie für die Oberflächenbehandlung von Titanlegierungen und hat weltweit große Aufmerksamkeit erlangt. Insbesondere die breite Verwendung von Titanlegierungen in militärischen Anwendungen, der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Medizin und in anderen Bereichen hat dazu geführt, dass Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet zunehmend an Bedeutung gewinnen. Im Vergleich zur ausländischen Forschung zur Laseroberflächenmodifizierung von Titanlegierungen begannen die entsprechenden theoretischen und experimentellen Untersuchungen in China relativ spät, und praktische Anwendungen sind noch selten. Bei Ausrüstung, Verfahren, Materialien und Grundlagenforschung besteht eine große Lücke. Um die Entwicklung der Anwendungen von Titanlegierungen weiter auszuweiten, ist es dringend erforderlich, die Forschung zur Laseroberflächenmodifizierung von Titanlegierungen voranzutreiben.