激光熔注單晶顆粒增強WCp-Ti-6Al-4V梯度復合材料層的界面反應機理.pdf

1、在Ti-6Al-4V表面制備復合材料層能夠在其良好性能不被破壞的前提下，明顯改善其表面性能，具有重要的理論意義和廣闊的應用背景。但是，增強顆粒熔化和復合材料層開裂等問題難以解決?？刂瞥煞痔荻茸兓墙鉀Q復合材料層開裂的最有效方法之一。目前，通過引入過渡層的方式可以實現(xiàn)梯度復合材料層的制備，能夠在一定程度改善復合材料層的開裂問題，但無法解決增強顆粒的熔化問題，并且制備工藝過于復雜。
　　本文針對上述問題，采用激光熔注技術，通過向激光熔

2、池直接注入單晶WC顆粒的方式，在不采用過渡層的情況下，實現(xiàn)了WCp/Ti-6Al-4V梯度復合材料層的制備。在激光熔注工藝特性研究的基礎上，研究了梯度復合材料層的形成機制、激光熔注過程熔池的復雜結晶行為、梯度復合材料層的微觀斷裂行為和WCp/Ti界面的反應機制。
　　通過系統(tǒng)工藝實驗，獲得了WCp/Ti-6Al-4V材料體系最佳激光熔注工藝范圍，研究了工藝參數(shù)對復合材料層宏觀成形、WC顆粒分布與體積分數(shù)的影響。通過WC顆粒注入速度

3、的計算與熔池流場、溫度場的數(shù)值模擬，分析了熔池粘度、Marangoni對流、熔池凝固前沿等因素對WC顆粒分布的影響，闡明了激光熔注過程梯度復合材料層的形成機理。證明熔池凝固前沿是決定WC顆粒分布的關鍵因素，梯度復合材料層的形成是以熔池凝固前沿向前推移不斷將WC顆?！皟鼋Y”實現(xiàn)的，熔池粘度和Marangoni流對WC顆粒分布的影響微弱。
　　通過XRD衍射和SEM、TEM電子顯微研究確定了復合材料層物相組成，描述了復合材料層的微觀組

4、織特征，并實現(xiàn)了對復合材料層各物相的精確鑒定。基于W-C、Ti-C、Ti-W二元系和Ti-W-C三元系平衡凝固研究，分析了激光熔注過程快速凝固條件下熔池的復雜結晶行為。發(fā)現(xiàn)Ti基體中的元素分布、WC顆粒體積分數(shù)和TiC枝晶含量均呈現(xiàn)出梯度分布的特征。通過控制WC顆粒由熔池尾部注入，實現(xiàn)了對反應產(chǎn)物數(shù)量的有效控制，在WC顆粒周圍獲得了很薄的規(guī)則胞狀反應層結構。并首次在WCp/Ti界面結合區(qū)，除了W2C層和TiC層外又發(fā)現(xiàn)了一層厚度約為20

5、0nm的連續(xù)納米W層。
　　在常規(guī)力學性能分析的基礎上，采用SEM原位拉伸試驗，觀察了復合材料層在拉應力作用下裂紋形成、擴展過程，闡明了單晶顆粒增強復合材料的斷裂機理。復合材料層裂紋主要在WC顆粒內(nèi)部和WC/W2C界面形成。裂紋主要沿著基體中TiC枝晶擴展，并且沿著WC顆粒密度最大的方向斷裂。致密胞狀界面反應層的形成大大提高了界面應力傳播效率，加上單晶的高承載力，使得單晶WC顆粒增強復合材料層的抗拉強度有明顯提高，比多晶WC顆粒增

6、強復合材料層提高了18％。
　　在熱力學分析的基礎上，借助熱模擬試驗，研究了WCp/Ti界面反應機理，并根據(jù)W2C層發(fā)生的孿生變形現(xiàn)象，合理解釋了固態(tài)相變條件下W2C與母相WC不形成共格界面的原因，澄清了WCp/Ti界面反應存在的爭議問題。通過快速、緩慢凝固條件下WCp/Ti界面反應行為的對比研究，證實了快速凝固條件下形成的反應層結構具有抑制界面反應的作用。結果表明，W2C層是固相WC與液態(tài)Ti反應生成的，W2C內(nèi)部發(fā)生的孿生變形