Коррозионная стойкость и износостойкость титанового сплава

1 Технология модификации поверхности титанового сплава
Титановый сплав имеет низкую плотность, высокую удельную прочность, хорошую коррозионную стойкость и сильную усталостную прочность. Он широко используется в аэрокосмической, корпусной, автомобильной, медицинской и других областях. Однако титановый сплав имеет высокий коэффициент трения, очень чувствителен к адгезионному износу и микроизносу, имеет плохую износостойкость, легко воспламеняется при высокой температуре и трении на высокой скорости и имеет относительно низкую стойкость к высокотемпературному окислению, что серьезно влияет на безопасность и надежность его конструкции и значительно ограничивает его применение.

Поэтому дальнейшее улучшение поверхностных свойств титанового сплава, таких как износостойкость, стойкость к высокотемпературному окислению и коррозионная стойкость, стало неотложной проблемой, требующей решения. Помимо улучшения состава и процесса приготовления сплава, поверхностная модификация титанового сплава в настоящее время является наиболее эффективным методом.

В традиционной технологии модификации поверхности ионная имплантация ограничена энергией ионной имплантации, а упрочняющий слой очень мелкий; ионная цементация, борирование и азотирование имеют недостатки длительного цикла обработки и легкой деформации заготовок при высокой температуре; модифицированный термическим напылением слой имеет рыхлую структуру и относительно низкую прочность связи с подложкой, и нелегко сформировать металлургическую связь с высокой прочностью связи. Технология лазерной модификации поверхности является продуктом сочетания лазерной технологии и термической обработки металла. Она заключается в применении чрезвычайно высокой энергии к поверхности материала, чтобы вызвать физические и химические изменения, тем самым значительно изменяя твердость поверхности, износостойкость, коррозионную стойкость и высокотемпературные характеристики материала. Благодаря чрезвычайно высокой скорости нагрева, создаваемой высокой плотностью энергии, точной контролируемой выходной мощностью и селективностью модифицированной локальной поверхности, технология лазерной модификации поверхности привлекла всеобщее внимание и внимание.

2 слоя облицовки из композитного материала тик/ти
Лазерная наплавка, также известная как лазерное покрытие или лазерная плавка, является новым типом технологии обработки материалов и модификации поверхности. Ее суть заключается в распылении порошка со специальными свойствами (такими как износостойкость, коррозионная стойкость, стойкость к окислению и т. д.) на поверхность металла или подаче порошка синхронно с лазерным лучом, а затем в его расплавлении, расширении и быстром затвердевании под действием лазерного луча, образуя металлургический связующий слой без трещин и пор на поверхности подложки. Технология модификации поверхности. Технология лазерной наплавки имеет следующие преимущества: 1) Лазерный луч имеет высокую плотность энергии, быструю скорость охлаждения во время затвердевания и тонкую структуру затвердевания лазерного наплавочного слоя; 2) Различные наплавки могут быть выполнены на разных частях одной и той же детали в соответствии с потребностями: 3) Комбинация подложки и наплавочного слоя представляет собой металлургическое соединение, а структура наплавочного слоя имеет очевидные градиентные характеристики, так что наплавочный слой и подложка имеют хорошее сцепление.

Лазерная наплавка является наиболее часто используемой технологией лазерной модификации поверхности титанового сплава. В зависимости от различных компонентов и свойств, полученных с помощью слоя лазерной наплавки, он в основном делится на износостойкие, высокотемпературные окислительно-стойкие, биологические и термические барьерные слои наплавки. Износостойкость титанового сплава относительно низкая, поэтому исследования лазерной наплавки поверхности титанового сплава в основном сосредоточены на повышении износостойкости. Материалами для износостойкого модифицированного слоя лазерной наплавки на поверхности титанового сплава являются в основном B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, Si C, Ti B, TiB2, A1203 и т. д.

Керамические материалы обладают превосходной износостойкостью, коррозионной стойкостью, термостойкостью и стойкостью к высокотемпературному окислению, но их хрупкость, низкая усталостная прочность, чувствительность к напряжению и трещинам, а также сложность обработки ограничивают их применение. Исследования в области технологии лазерной наплавки керамического покрытия на поверхности титанового сплава расширили сферу применения керамических материалов, органично объединив превосходные характеристики керамических материалов с прочностью и хорошей обрабатываемостью материалов из титанового сплава, в полной мере используя комплексные преимущества двух типов материалов и удовлетворяя потребности в структурных характеристиках (прочность, вязкость и т. д.) и экологических характеристиках (износостойкость, коррозионная стойкость, высокая термостойкость и т. д.), а также получая очень идеальную структуру композитного материала.

3 Лазерное легирование поверхности титанового сплава
Лазерное легирование заключается в быстром сплавлении одного или нескольких легирующих элементов с поверхностью подложки под действием высокоэнергетического лазерного луча, то есть в использовании лазера для изменения химического состава поверхности металла и сплава. Этот метод имеет следующие преимущества:

1) Эксплуатационные характеристики современных сплавов могут быть получены после локальной обработки поверхности металлических деталей;

2) Глубина и ширина модифицированного слоя точно контролируются;

3) Благодаря большому градиенту температуры слоя лазерного нагрева, связующий слой узкий, качество соединения хорошее, а отрицательное влияние на эксплуатационные характеристики основного металла минимально. Разница между лазерным легированием и лазерной наплавкой заключается в том, что лазерное легирование заключается в полном смешивании добавленных легирующих элементов и поверхностного слоя подложки в жидком состоянии для формирования легирующего слоя; в то время как лазерная наплавка заключается в полном расплавлении слоя предварительного покрытия и небольшом расплавлении поверхностного слоя подложки, так что слой покрытия и материал подложки образуют металлургическую связь, сохраняя при этом состав слоя покрытия в основном неизменным.

4 Подготовка титановой пластины, выплавленной лазером

Лазерная плавка относится к использованию лазерного луча высокой плотности энергии для сканирования поверхности заготовки, расплавления тонкого слоя поверхности и его затвердевания с чрезвычайно высокой скоростью охлаждения. Лазерная плавка может получить модифицированный слой с высокой твердостью, высоким сопротивлением и высокими температурными характеристиками на поверхности металлического материала, сохраняя при этом сердцевину детали по-прежнему в хорошей прочности, так что деталь имеет характеристики хорошей коррозионной стойкости, высокой ударной вязкости и высокой усталостной прочности. Лазерная плавка представляет собой локальный неравновесный физико-металлургический процесс быстрого затвердевания. Этот метод имеет характеристики высокой плотности мощности, малой деформации заготовки и простоты процесса. В частности, температурный градиент интерфейса затвердевания лазерной плавки может достигать 103 К/мм, а скорость затвердевания может достигать нескольких метров в секунду, что позволяет получить сверхтонкую организацию и структуру. Поэтому в последние годы технология лазерной плавки широко используется в технологии модификации поверхности металла, а также применяется к поверхностям титановых сплавов.

5 Решение проблемы лазерных поверхностных трещин
Хотя технология лазерной модификации поверхности титанового сплава широко используется на данном этапе, все еще есть много проблем, которые необходимо решить с точки зрения процесса. Первая проблема - это проблема трещин лазерной модификации поверхности. Кроме того, повторяемость результатов лазерной обработки, особенно плохая повторяемость результатов лазерного легирования и лазерной наплавки с использованием керамического порошка, также является серьезной проблемой.

5.1 Параметры процесса лазерной модификации поверхности лазерным лучом Параметры процесса лазерной модификации поверхности в основном включают мощность лазера, размер пятна, скорость сканирования, скорость перекрытия, распределение энергии лазерного луча и т. д., которые влияют на качество модифицированного слоя. Распределение энергии лазерного луча описывается моделью лазерного луча, которая в основном включает четыре модели: гауссова модель, многомодельная, прямоугольная модель и модель с вогнутой вершиной. Гауссов луч наиболее подходит для резки и сварки, но не подходит для лазерной модификации поверхности. Он имеет тенденцию вызывать газификацию и плавление глубоко в матрице. При модификации несколькими лазерами серьезные дефекты, такие как схлопывание и поры, легко образуются при перекрытии модифицированного слоя. Чтобы получить плоский и высокопроизводительный модифицированный слой, эти параметры должны быть всесторонне оптимизированы для достижения наилучшего сочетания.

5.2 Наноплотность и механизм образования трещин при модификации
Лазерная модификация поверхности титанового сплава представляет собой металлургический процесс быстрого плавления и затвердевания. Во время лазерной обработки происходят сложные физические и химические явления, такие как теплопередача, массоперенос, конвекция, диффузия и фазовый переход. На поверхности модифицированного слоя и в переходной зоне между модифицированным слоем и матрицей очень легко возникают трещины. Внутренние дефекты, такие как трещины, серьезно влияют на качество модифицированного слоя. Поэтому механизм образования трещин во время лазерной модификации стал горячей темой для исследователей в разных странах. Многие ученые предложили методы контроля трещин во время лазерной модификации, в основном включающие оптимизацию параметров процесса лазерной модификации, корректировку материалов модифицированного слоя, модификацию модифицированных лазером слоев с добавками, предварительный нагрев и медленное охлаждение подложек из титанового сплава во время лазерной модификации и введение ультразвуковой вибрации во время лазерной модификации. Исследования показали, что введение ультразвуковой вибрации во время лазерной наплавки может улучшить текучесть жидкой расплавленной ванны, позволяя пузырькам быстро выходить и делая распределение ткани более равномерным; Применение ультразвуковой вибрации во время процесса затвердевания может разбить растущие дендриты и рассеять их по различным частям расплава, образуя равномерно распределенные мелкие зародыши. Ультразвуковая вибрация также может облегчить заполнение жидкостью пор между дендритами, что полезно для уменьшения усадочных раковин и частичного устранения источника растягивающего напряжения, тем самым уменьшая трещины в слое переплава. Кавитационный и перемешивающий эффекты ультразвуковых волн в расплавленной ванне могут сделать температуру расплавленной ванны однородной, улучшить состояние затвердевания расплавленной ванны и снизить остаточное термическое напряжение и чувствительность к растрескиванию.

5.3 Композитное градиентное покрытие
В то время как технология модификации поверхности одним лазером развивается, технология композитной лазерной модификации поверхности, которая объединяет две или более технологий модификации поверхности, быстро развивается. Технология композитной лазерной модификации поверхности может не только улучшить поверхностные свойства титановых сплавов, но и улучшить морфологию поверхности модифицированного слоя и уменьшить образование трещин. Golbeeiwski M et al. подготовили композитное градиентное покрытие, содержащее TiN и Ti2N, на подложке из титанового сплава путем азотирования в тлеющей плазме и лазерного переплава, что значительно улучшило поверхностные свойства титанового сплава. Yilbas BS et al. нанесли TiN на лазерно-азотированный титановый сплав с использованием технологии PVD и обнаружили, что прочность связи и прочность на сдвиг сформированного слоя пленки TiN с титановой подложкой были значительно улучшены по сравнению со слоем пленки, приготовленным только с помощью технологии PVD.

5.4 Структурные характеристики плазменно-напыленных нанокомпозитных керамических покрытий
Благодаря особой структуре наноматериалов они обладают превосходными свойствами, которые трудно получить в обычных материалах, что обеспечивает благоприятные условия для улучшения характеристик слоев лазерной модификации поверхности титанового сплава. Объединение нанопорошков с технологией лазерной модификации поверхности для получения слоя модификации поверхности композита, содержащего наноструктуры на поверхности титановых сплавов, может изменить механические, физические и химические свойства поверхности титанового сплава, придать поверхности титанового сплава новые функции и достичь цели объединения модификации поверхности материала с функционализацией.

Лазерная модификация поверхности является идеальной технологией для обработки поверхности титанового сплава, которая привлекла большое внимание всех стран, особенно широкое использование титановых сплавов в военной, аэрокосмической, автомобильной, медицинской и других областях, что сделало научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области более заинтересованными. По сравнению с исследованиями в области лазерной модификации поверхности титанового сплава за рубежом, соответствующие теоретические и экспериментальные исследования в Китае начались поздно, и до сих пор существует мало практических приложений. Существует большой разрыв в оборудовании, процессе, материалах и фундаментальных исследованиях. Для дальнейшего расширения разработки приложений титанового сплава необходимо срочно провести исследования в области лазерной модификации поверхности титанового сплава.