Si的添加对TC4合金镍基涂层高温氧化及机械性能的影响

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钛合金优秀的性能使其在很多工程领域上有着广泛的应用。在钛合金当中,TC4合金属于应用较为广泛的一种合金。但是其在650°C以上的高温下很容易被氧化并失效。鉴于TC4合金的高温抗氧化性较差,我们采用激光熔覆制备的复合涂层解决了上述缺点。将Ni Cr BSi和Si组成的5 wt.%-30 wt.%的混合物用作包覆材料。详细研究了Si含量对组织,力学性能和抗氧化性能的影响。并着重研究了其氧化的机理。结果表明,相组成很大程度上取决于Si的添加量。Si含量为5 wt.%的涂层主要由Ti2Ni,Ti Ni,Ti B2,Ti B和Ti C组成。Si含量大于10 wt.%的涂层中合成了新的Ti5Si3相,随着Si含量与Ti B2,Ti B和Ti Ni的增加,其含量呈上升趋势。显微组织的变化导致涂层的显微硬度略有增加,随之而来的是其断裂韧性的降低(前者增加约3.82%,后者减少约23.90%,而Si含量从5 wt.%增加到30 wt.%)。通过在800°C下进行200 h的氧化测试来评估涂层的抗氧化性。Si含量的增加使其氧化重量增加减少,从而显著改善了涂层的抗氧化性。通过研究关于氧化增重(G)和氧化持续时间(T)之间的关系,可以发现在整个氧化过程中可以清楚地识别出两个阶段,分别对应于初始阶段和缓慢阶段,这两个阶段由两个通式(G=K1T,G=K2T,)表示,初始阶段的氧化增重系数(K1)随着Si含量的增加而增加,但是持续时间却呈现相反的变化。随着Si添加量的增加,慢速阶段的系数(K2)逐渐减小。当Si含量从5 wt.%增加到30 wt.%时,涂层的氧化增重降低了约36.98%。由于经受氧化的Ti5Si3的PBR(皮尔-贝德沃斯比)值高于其他相的PBR(皮尔-贝德沃斯比)值,因此可以在涂层表面形成更高的Si含量,从而形成更致密的氧化层,这对改善镀层涂料的抗氧化性起到了关键的作用。对于涂层的耐摩擦磨损性能来说,当Si含量低于20 wt.%时,涂层的磨损体积较小,其中涂层II的磨损体积最小,涂层V的磨损体积最大,从摩擦磨损曲线得出,当摩擦磨损时间达到60 min时,涂层的摩擦系数逐渐呈稳定的趋势。其中涂层II的摩擦系数最小,涂层V的摩擦系数最大。当Si含量低于20 wt.%时,涂层的摩擦系数较低。做出两者的趋势对比图后得出,涂层摩擦系数与涂层的磨损体积呈正相关的关系。当Si含量低于20 wt.%时,涂层的耐摩擦磨损性能较好。
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