通過增硬和增韌效應協同提高增材制造Ti基異質復合涂層耐磨耐蝕性能
時間：2024-10-11 08:44 來源：中國海洋大學 作者：張宏偉 閱讀：次
第一作者：張宏偉
通訊作者：崔洪芝
通訊單位：中國海洋大學
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.027
采用激光直接能量沉積技術在TC4鈦合金表面制備了Ti基復合涂層。在β基體(富Cu軟相和富Mo硬相)上形成了一種新的多級強化相(微米級TiN相和納米級TiB相)。隨著具有高Q值的銅元素含量的增加，晶粒明顯細化。由于Mo元素的固溶強化和TiN相的形成，復合涂層的顯微硬度提高。同時，由于晶粒細化、高密度位錯和納米TiB相共同作用，復合涂層的斷裂韌性顯著提高。涂層硬度和韌性的協同提高促進了磨損表面鈦鉬銅復合氧化膜的生成，耐磨損腐蝕性能比TC4提高了7倍以上。
研究背景
海洋石油鉆井中使用的鈦合金鉆桿由于腐蝕和磨損(也稱為磨損腐蝕)的雙重作用而損壞或廢棄。更換新的鉆桿不僅消耗材料、時間和金錢，而且不能從根本上解決鈦合金鉆桿的摩擦腐蝕問題。然而，傳統材料的耐磨性和耐腐蝕性是矛盾的。具有高硬度的陶瓷相往往表現出脆性傾向，在拉伸或磨損過程中加速裂紋的萌生和擴展，從而加劇材料的脆性和腐蝕。因此，應同時考慮復合涂層的硬度和韌性，以提高材料的耐摩擦腐蝕性能，確保設備的可靠運行。
本文亮點
總結了復合涂層凝固過程中微觀組織演變的熱力學和動力學過程。
研究了復合涂層中不同相的硬化增韌機理。
分析了非均相結構與摩擦腐蝕行為的關系。
本文采用Mo、Cu和BN粉末通過激光直接能量沉積技術制備了具有多級析出相和細化β晶的復合涂層。
隨著Cu元素的增加，涂層的晶粒尺寸從10 μm減小到2 μm。更值得注意的是，TiN相的取向基本保持不變。同時，復合涂層的織構強度顯著降低，復合涂層的高角度晶界(HAGBs)由16.9%增加到32.1%。
隨著Cu含量的增加涂層的硬度逐漸提高。當涂層強度達到615 MPa，塑性14.5%，斷裂韌性仍保持在8.37 MPa·m1/2。
揭示了添加元素后復合涂層在凝固過程中的組織演變。研究了多級沉淀強化和細晶強化對合金顯微硬度和韌性的影響，深入討論了多尺度析出相(TiN + TiB)和細化等軸β晶粒(富Mo和富Cu相)在磨損腐蝕過程中的作用。隨著具有高Q值的Cu含量的增加，LDED復合涂層的韌性增強，其主要原因是晶粒尺寸的細化、納米TiB相的析出強化和位錯密度的增大。耐磨損腐蝕的機理包括顯微硬度的提高、韌性的增強和致密復合氧化膜的形成。
總結與展望
在凝固過程中，TiN相和TiB相優先析出，過量的B元素為β相形核提供了驅動力。隨后，在Mo元素的作用下，β相形核長大，在凝固前沿擠出更多的Cu。在β相形核過程中，Cu的偏析擴大了CS區，細化了β晶粒。
由于Mo元素的固溶強化和微米TiN相的形成，復合涂層的顯微硬度是TC4的2倍以上。同時，晶粒細化、納米TiB相和大量位錯提高了涂層的抗裂紋擴展能力。
在摩擦腐蝕過程中，TiN相和富Mo相起支撐作用。隨著Cu含量提高，富Cu軟相的增加減少了富Mo相的脆性斷裂。同時，在重復摩擦過程中形成鈦鉬銅復合氧化膜，協同增強了涂層的耐磨損腐蝕性能。
團隊簡介
中國海洋大學筑峰人才工程第一層次特聘教授崔洪芝帶領的極端環境材料團隊，現有教師15人，博士后、博士生和碩士生90余名。團隊依托嶗山實驗室、海工裝備基礎科學中心、海洋材料與防護技術教育部工程研究中心、海洋裝備特種材料山東省工程研究中心以及濱海試驗場，致力于海洋、軌道交通、風電、軍工等極端環境裝備材料、耐磨耐蝕耐熱材料、高能束加工與增材制造、海洋多因素環境損傷評價等方向研究，先后承擔完成國家863計劃、國際合作、國家基金、“十四五”服務山東重點建設項目及山東省重大工程項目等30余項，2019年獲國家技術發明二等獎、2008年獲國家科技進步二等獎，獲得省部級獎勵20余項，發表SCI論文300余篇，授權發明專利90余件，軟件著作權5項，出版專著3部。2023年、2021年入選中國工程院化工、冶金與材料學部院士有效候選人。團隊形成從材料設計、制備技術開發到工程化應用的全鏈條研發能力，開發的材料和技術在海洋平臺、鉆采設備、大型煤炭機械、內燃機、軌道交通、航空裝備、船舶制造等關鍵領域及部件上推廣應用。
極端環境材料團隊網站鏈接https://www.x-mol.com/groups/cui_hongzhi
通訊作者：崔洪芝
通訊單位：中國海洋大學
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.027
采用激光直接能量沉積技術在TC4鈦合金表面制備了Ti基復合涂層。在β基體(富Cu軟相和富Mo硬相)上形成了一種新的多級強化相(微米級TiN相和納米級TiB相)。隨著具有高Q值的銅元素含量的增加，晶粒明顯細化。由于Mo元素的固溶強化和TiN相的形成，復合涂層的顯微硬度提高。同時，由于晶粒細化、高密度位錯和納米TiB相共同作用，復合涂層的斷裂韌性顯著提高。涂層硬度和韌性的協同提高促進了磨損表面鈦鉬銅復合氧化膜的生成，耐磨損腐蝕性能比TC4提高了7倍以上。
研究背景
海洋石油鉆井中使用的鈦合金鉆桿由于腐蝕和磨損(也稱為磨損腐蝕)的雙重作用而損壞或廢棄。更換新的鉆桿不僅消耗材料、時間和金錢，而且不能從根本上解決鈦合金鉆桿的摩擦腐蝕問題。然而，傳統材料的耐磨性和耐腐蝕性是矛盾的。具有高硬度的陶瓷相往往表現出脆性傾向，在拉伸或磨損過程中加速裂紋的萌生和擴展，從而加劇材料的脆性和腐蝕。因此，應同時考慮復合涂層的硬度和韌性，以提高材料的耐摩擦腐蝕性能，確保設備的可靠運行。
本文亮點
總結了復合涂層凝固過程中微觀組織演變的熱力學和動力學過程。
研究了復合涂層中不同相的硬化增韌機理。
分析了非均相結構與摩擦腐蝕行為的關系。
本文采用Mo、Cu和BN粉末通過激光直接能量沉積技術制備了具有多級析出相和細化β晶的復合涂層。
圖1 粉末原料圖: (a) Ti64, (b) Mo, (c) Cu, (d) BN, (e)混合12Cu粉末的EDS結果; (f) LDED制造工藝示意圖; (g)樣品加工示意圖。
隨著Cu元素的增加，涂層的晶粒尺寸從10 μm減小到2 μm。更值得注意的是，TiN相的取向基本保持不變。同時，復合涂層的織構強度顯著降低，復合涂層的高角度晶界(HAGBs)由16.9%增加到32.1%。
圖2 4Cu、8Cu、12Cu和16Cu復合涂層的EBSD分析: (a-d)反極圖(IPFs)和相圖; (e-h) β相和TiN相的PFs; (i - 1)晶界圖。
圖3 12Cu復合涂層的TEM結果: (a)亮場圖像及相應的EDS結果; (b-d)富Mo和富Cu相的亮場圖像及相應的選定區域電子衍射圖; (e-h) TiN和TiB相的亮場圖像、相應的選定區域電子衍射圖和元素的譜線分布結果。
隨著Cu含量的增加涂層的硬度逐漸提高。當涂層強度達到615 MPa，塑性14.5%，斷裂韌性仍保持在8.37 MPa·m1/2。
圖4 (a)顯微硬度隨涂層深度的變化; (b) 12Cu復合涂層的納米壓痕形貌; (c)深度與荷載的關系; (d)硬度和Er。
圖5 涂層代表性區域的壓痕形貌:(a) 4Cu, (b) 8Cu, (c) 12Cu, (d) 16Cu。
圖6 不同條件下LDED復合涂層的電化學測試曲線及相應的COF值 :(a) OCP; (b) 0.2VOCP的恒電位極化; (c)動電位極化; (d)磨損前、磨損中和磨損后的OCP值; (e)鈍化電流密度; (f)不同條件下的COF值。
圖7 用Matlab得到了銅含量、電位、磨損體積關系的云圖。
揭示了添加元素后復合涂層在凝固過程中的組織演變。研究了多級沉淀強化和細晶強化對合金顯微硬度和韌性的影響，深入討論了多尺度析出相(TiN + TiB)和細化等軸β晶粒(富Mo和富Cu相)在磨損腐蝕過程中的作用。隨著具有高Q值的Cu含量的增加，LDED復合涂層的韌性增強，其主要原因是晶粒尺寸的細化、納米TiB相的析出強化和位錯密度的增大。耐磨損腐蝕的機理包括顯微硬度的提高、韌性的增強和致密復合氧化膜的形成。
圖8 圖中顯示了與銅相關的較大ΔT0增大CS區: (a, c) 4Cu復合涂層，(b, d) 12Cu復合涂層。
圖9 不同Cu含量(a) 4Cu, (b) 12Cu的LDED復合涂層摩擦腐蝕機理。
總結與展望
在凝固過程中，TiN相和TiB相優先析出，過量的B元素為β相形核提供了驅動力。隨后，在Mo元素的作用下，β相形核長大，在凝固前沿擠出更多的Cu。在β相形核過程中，Cu的偏析擴大了CS區，細化了β晶粒。
由于Mo元素的固溶強化和微米TiN相的形成，復合涂層的顯微硬度是TC4的2倍以上。同時，晶粒細化、納米TiB相和大量位錯提高了涂層的抗裂紋擴展能力。
在摩擦腐蝕過程中，TiN相和富Mo相起支撐作用。隨著Cu含量提高，富Cu軟相的增加減少了富Mo相的脆性斷裂。同時，在重復摩擦過程中形成鈦鉬銅復合氧化膜，協同增強了涂層的耐磨損腐蝕性能。
團隊簡介
中國海洋大學筑峰人才工程第一層次特聘教授崔洪芝帶領的極端環境材料團隊，現有教師15人，博士后、博士生和碩士生90余名。團隊依托嶗山實驗室、海工裝備基礎科學中心、海洋材料與防護技術教育部工程研究中心、海洋裝備特種材料山東省工程研究中心以及濱海試驗場，致力于海洋、軌道交通、風電、軍工等極端環境裝備材料、耐磨耐蝕耐熱材料、高能束加工與增材制造、海洋多因素環境損傷評價等方向研究，先后承擔完成國家863計劃、國際合作、國家基金、“十四五”服務山東重點建設項目及山東省重大工程項目等30余項，2019年獲國家技術發明二等獎、2008年獲國家科技進步二等獎，獲得省部級獎勵20余項，發表SCI論文300余篇，授權發明專利90余件，軟件著作權5項，出版專著3部。2023年、2021年入選中國工程院化工、冶金與材料學部院士有效候選人。團隊形成從材料設計、制備技術開發到工程化應用的全鏈條研發能力，開發的材料和技術在海洋平臺、鉆采設備、大型煤炭機械、內燃機、軌道交通、航空裝備、船舶制造等關鍵領域及部件上推廣應用。
極端環境材料團隊網站鏈接https://www.x-mol.com/groups/cui_hongzhi
(責任編輯：admin)
Fabric8Labs推出AI芯片定
Titomic又一合作，將與nuF
荷蘭公司將開設3D打印船舶
Chicago Additive推出AMOS
590MHz帶寬+超90%輻射效率
威斯康星大學麥迪遜分校工最新內容
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強熱點內容
