激光熔覆制備TC4基復合藥型罩材料的力學性能

閆春洋， 王 琳， 王東源， 張永忠

(1．北京理工大學 材料學院，北京 100081；2．北京理工大學 沖擊環境材料技術國家級重點實驗室，北京 100081；3．北京有色金屬研究總院，北京 100088)

激光熔覆制備TC4基復合藥型罩材料的力學性能

閆春洋1,2， 王 琳1,2， 王東源1,2， 張永忠3

(1．北京理工大學 材料學院，北京 100081；2．北京理工大學 沖擊環境材料技術國家級重點實驗室，北京 100081；3．北京有色金屬研究總院，北京 100088)

為了提高TC4藥型罩的侵徹性能，將激光熔覆制備工藝用于TC4復合藥型罩材料的制備。選用TA15+30 %(質量分數，下同)TiC粉、TA15+20 %Cr3C2粉和TA15+15 %B4C粉作為TC4基體的熔覆材料。采用XRD、掃描電鏡和顯微硬度測試、準靜態壓縮實驗、SHPB動態壓縮實驗以及3點彎曲實驗方法，研究熔覆層與基體界面處微觀形貌、熔覆層硬度變化情況以及3種復合材料的力學性能。結果表明：TC4基體與3種材料都能形成完全冶金結合，TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4-(TA15+B4C)材料的強度均高于TC4基體材料，塑性略差；TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)材料的抗彎強度分別為168 MPa，101 MPa，均高于TC4基體材料的45 MPa。

TC4復合藥型罩材料；激光熔覆；力學性能；界面

藥型罩材料的選擇，直接影響各項技術指標能否達到，作戰任務能否完成[1-2]。鈦合金具有優異的綜合力學性能，在國防工業和民用工業中得到了廣泛應用[3]。作為一種新型藥型罩材料，鈦合金具有良好的塑性和韌性，聲速高(6.0 km/s)，密度較低(4.5 g/cm3)，但由于硬度低，抗沖擊性能差等缺點限制了它的廣泛應用[4-5]。復合藥型罩是指由不同性能的金屬或合金按著藥型罩不同結構部位的性能要求復合而成的藥型罩。與單金屬藥型罩材料相比，復合藥型罩材料有以下幾個優點：(1)能量轉換與吸收機制更加合理，能量利用率更高；(2)成本更低；(3)穿甲破甲性能更好，應用前景非常廣闊[6]。為了改善鈦合金的力學性能，研究人員發展了多種表面改性技術，如離子注入、激光氮化、超音速噴涂、微弧氧化等，這些技術在改善鈦合金的抗磨損等性能方面取得了顯著效果[7-10]。然而，將經過這些技術改性之后的鈦合金應用于沖擊環境下時，卻存在著涂層較薄，與基體材料結合弱，抗沖擊性能差等問題[11]。

激光熔覆是一種新興的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能激光束使之與基材表面薄層一起快速熔凝的方法，在基層表面形成冶金結合的具有耐磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化等有別于基材性能的熔覆層[1]。與熱噴涂、堆焊、電鍍等傳統表面處理技術相比，激光熔覆技術具有諸多優點，如界面結合強度高、適用的材料體系廣泛、基體熱變形小、熔覆層與基體為冶金結合、工藝易于實現自動化等[12-14]。本研究嘗試將激光熔覆工藝用于TC4復合藥型罩材料的制備。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

基板材料采用TC4鈦合金板，尺寸為40 mm×40 mm×10 mm，表面經400#砂紙打磨后用酒精擦拭干凈。激光熔覆所用材料為TA15+30%TiC粉、TA15+20%Cr3C2粉和TA15+15%B4C粉；TA15粉末為氣霧化球形粉末，粒度為50～150 μm，TiC粉、Cr3C2粉和B4C粉形狀不規則，粒度為45 ～75 μm。在GH型三維運動高效混合機中低溫干混8 h。混粉介質為φ10 mm的ZrO2球，球料比為2 ∶1。

1.2 激光熔覆工藝

采用TJ-HL-T5000型連續橫流CO2激光器在TC4鈦合金板上熔化沉積TA15+30%TiC粉、TA15+20 %Cr3C2粉和TA15+15 %B4C粉，送粉方式為同軸送粉，吹氬氣保護熔池。具體工藝參數如表1所示。

表1 TC4復合材料激光熔覆工藝參數Table 1 Process parameters of laser deposition of TC4 composite

1.3 微觀組織與力學性能測試方法

采用Bruker D8型X射線衍射儀(Cu靶，電壓40 kV，電流5 mA，2θ=10°～80°)分析熔覆層或界面處的物相組成；采用Zeiss AXIO observerA1m光學顯微鏡對激光熔覆界面結合情況進行初步觀察；采用Hitachi S-4800冷場發射型掃描電子顯微鏡對金相樣品的組織和界面進行觀察；采用Leco LM 700AT顯微硬度計測量熔覆層硬度；采用WDW-E100D電子式萬能試驗機進行3點彎曲測試，試樣尺寸為60 mm×10 mm×2 mm，熔覆層和基體材料厚度均為1 mm，測試時跨距為30 mm，加載速率為5 mm/min；采用Instron萬能試驗機進行準靜態壓縮測試，試樣采用φ5 mm×8 mm的圓柱體結構，實驗溫度為室溫25 ℃，應變率為10-3s-1；采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)進行動態壓縮力學性能測試，SHPB試樣采用φ4 mm×4 mm的圓柱體試樣。

2 結果與分析

2.1 微觀組織觀察分析

2.1.1 熔覆層及界面物相分析

對熔覆成型的復合材料進行XRD分析，分別測定其熔覆層和界面處的物相成分。發現TC4-(TA15+B4C)和TC4-(TA15+TiC)復合材料熔覆層和界面處并沒有新相形成，而TC4-(TA15+Cr3C2)界面處有TiCr2金屬間化合物相生成，如圖1所示。

圖1 TC4-(TA15+Cr3C2)復合材料熔覆層XRD衍射譜Fig.1 XRD diffraction spectra of deposited coating of TC4-(TA15+Cr3C2)

2.1.2 激光熔覆界面微觀形貌分析

3種熔覆成型復合材料的微觀形貌如圖2所示。

廣東省政府5次召開專題會議研究廣東農墾辦社會職能改革，特別是2018年7月5日，召開廣東農墾改革發展聯席會議，對廣東農墾辦社會職能改革進行全面動員部署。在基礎教育方面，省有關部門和屬地政府認真研究并妥善解決處理好學校移交過程中所涉及的事業編制、人員移交和經費保障等難題。截至2018年9月15日，湛江、茂名、陽江、揭陽、汕尾5市已全部完成124所農墾學校、2492名在編在職人員的統一考試和順利移交；2295名離退休人員也隨學校一并移交。清產核資及備案、土地紅線圖確認、經費測算劃轉等工作正在緊密推進中。

圖2 TC4基復合材料界面微觀形貌Fig.2 Microstructure morphology of interface in TC4 matrix composites (a)TC4-(TA15+TiC)；(b)TC4-(TA15+Cr3C2)；(c)TC4-(TA15+B4C)

從圖2(a)可以清晰地看出，TA15+TiC熔覆層內激光熔覆的每一層之間存在明顯的界限，并且有大量顆粒狀析出物；但總體上基體與熔覆層形成了較好的冶金結合，在界面處并沒有產生氣孔和裂紋。在圖2(b)中，TC4基體和TA15+Cr3C2熔覆層均為典型的網籃組織，另外在熔覆層內還有大量析出的針狀α相；可見Cr與Ti在熔覆過程中實現了原位合金化，熔覆層材料內部組織致密。從圖2(c)可以看出，TC4基體與TA15+B4C熔覆層的界面并不明顯，微觀組織均為網籃組織，但是在熔覆層內部存在較多彌散分布的未熔的B4C顆粒。因為B4C的熔點在2300 ℃以上，而鈦合金的熔點在1600 ℃左右，實驗中所使用的激光功率并不能熔化B4C。

2.2 力學性能測試結果與分析

通常藥型罩在形成射流后的侵徹過程中受力情況非常復雜，會同時受到多種載荷的共同作用。本研究通過顯微硬度測試、準靜態壓縮實驗、SHPB動態壓縮實驗和3點彎曲實驗進行了力學性能的測試與分析。

2.2.1 顯微硬度測試結果與分析

3種鈦基復合材料熔覆層硬度變化規律如圖3所示，其中橫坐標為測試點到界面的距離，單位為mm，距離為正表示測試點在熔覆層內，距離為負則表示測試點在基體上。

由圖3可以看出，對于TC4-(TA15+B4C)復合材料，隨著距界面距離的增加，熔覆層的硬度總體上是逐漸增大的，從450HV一直增加到1600HV左右。這主要是因為在激光熔覆初期，激光在熔化TA15+B4C混合粉的同時，也會將TC4基體熔化，從而使二者混合在一起，對熔覆材料起到一定的稀釋作用，隨著熔覆層厚度的增加，這種稀釋作用越來越弱。

對于TC4-(TA15+TiC)和TC4-(TA15+Cr3C2)復合材料，隨著距界面距離的增加，熔覆層的硬度變化相對穩定，基本在420～480HV之間波動，但是均高于TC4基體的硬度。熔覆層硬度比TC4基體略高是因為熔覆層中析出了TiCr2和TiC相。變化相對穩定則是因為基體與熔覆層材料的主要成分均為鈦合金，導致TC4基體對熔覆材料的稀釋作用對硬度變化的影響較小。

圖3 熔覆層硬度變化Fig.3 Change of hardness of deposited coating

圖4 準靜態壓縮應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of quasi static compression

3種TC4基復合材料及基體材料的軸向準靜態壓縮真應力-真應變曲線如圖4所示。與TC4基體材料的準靜態壓縮曲線形狀相近，都經歷了彈性變形和塑性變形兩個階段，沒有出現應力坍塌的現象。屈服強度均高于TC4基體材料的屈服強度，TC4-(TA15+B4C)的屈服強度甚至達到了1000 MPa，但塑性較TC4基體材料略差一些，同樣TC4-(TA15+B4C)的塑性最差。在塑性變形階段，相同應變情況下，復合材料的應力大，說明在這3種復合材料中都產生了不同程度的應變硬化。測試結果與顯微硬度測試結果一致，TC4-(TA15+B4C)復合材料硬度最高，但塑性最差。

2.2.3 動態力學性能測試結果與分析

圖5是在相同應變率加載下鈦基復合材料的真應力-真應變曲線。由圖5可知，3種TC4基復合材料與TC4基體材料的動態壓縮曲線形狀相近，均未出現明顯的屈服平臺；應力均高于TC4基體材料，說明熔覆層的存在提高了材料的動態抗壓強度。一方面是因為熔覆層材料的強度均高于基體材料，而且由于激光熔覆的工藝特點，熔覆層材料的冷卻速率很快，有利于形成細晶組織，其強度自然較高；另一方面，在激光熔覆過程中，熔覆層與基體的界面處發生了不同程度的化學成分和組織的變化，使基體的組織更為細小，加之中間相的形成有效地阻礙了位錯的運動，在宏觀上即表現為材料整體強度的提高。在1400 s-1和2100 s-1應變率下，3種TC4基復合材料的抗壓強度均為1400 MPa左右，并無太大變化，但是在2100 s-1應變率下，其應變卻均有不同程度的降低。這可能是由于隨著應變率的增加，應變硬化作用基本沒有變化，與1400 s-1下基本相似；盡管由于應變率的增加，熱軟化效應有所增強，但二者基本保持平衡，在宏觀上即表現為抗壓強度基本不變，變形增大。

2.2.4 抗彎強度測試結果與分析

鑒于在TC4基體上熔覆TA15+Cr3C2和TA15+TiC材料界面結合情況較好，熔覆層內部缺陷較少，所以對上述兩種材料進行抗彎強度測試，以確定其抗彎性能。結果如圖6所示。TC4-(TA15+TiC)材料在位移量達到6 mm左右時才開始發生韌性斷裂，可見TC4-(TA15+TiC)復合材料的抗彎強度和塑性均高于TC4基體材料。在斷口位置沒有發現熔覆層與基體分離的現象，說明二者為完全冶金結合，結合強度較高。TC4-(TA15+Cr3C2)材料在位移量達到0.8 mm左右時，載荷突然由0.9 kN驟降到了0.4 kN。說明此時基體與熔覆層的結合界面發生了部分分離；可見，二者雖然也形成了完全冶金結合，但結合強度較TC4-(TA15+TiC)材料較差。由公式(1)可以計算出TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4三種材料的抗彎強度分別為：168 MPa，101 MPa和45 MPa。

圖5 相同應變率下真應力-真應變曲線Fig.5 True stress-strain curves of the same strain rate (a)1400 s-1；(b)2100 s-1

σ=3PL/2BH2

(1)

式中：P為測試時最大外加載荷；L為跨距；B為試樣寬度；H為試樣厚度。

圖6 TC4及TC4基復合材料抗彎性能曲線Fig.6 Bending resistance curves of TC4 and TC4 matrix composites

3 結 論

(1)采用激光熔覆的方法在TC4基板上熔覆TA15+30 %TiC和TA15+20 %Cr3C2工藝性較好，能夠形成完全冶金結合，熔覆TA15+15%B4C工藝性相對較差，界面處出現了裂紋。

(2)TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4-(TA15+B4C)材料熔覆層的硬度以及屈服強度均高于TC4基體，只是塑性略差。

(3)TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr3C2)材料的抗彎強度分別為168 MPa，101 MPa均高于TC4基體材料的45 MPa。

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(責任編輯：徐永祥)

Mechanical Properties of TC4 Matrix CompositesPrepared by Laser Cladding

WANG Lin1,2， YAN Chunyang1,2， WANG Dongyuan1,2, ZHANG Yongzhong3

(1．School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081, China；2．National Key Laboratory of Science and Technology on Materials under Shock and Impact，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081, China；3．Beijing Nonferrous Metal Research Institute，Beijing 100088, China)

In order to improve the penetration performance of TC4, the direct laser deposition technology was used to prepare TC4 composite material. TA15+30% TiC powder, TA15+20%Cr3C2powder and TA15+15%B4C powder were used as deposited materials for TC4 matrix. The micromorphology, change of hardness of the deposited coating and mechanical properties of the three composites were studied. The experimental results demonstrate that the TC4 matrix with the three kinds of materials can form a complete metallurgical bonding, and the strength of TC4-(TA15+TiC), TC4-(TA15+Cr3C2) and TC4-(TA15+B4C) are higher than that of TC4 matrix materials, while the plasticity is slightly worse.

TC4 composite material; direct laser deposition; mechanical properties; interface

2015-12-16；

2016-01-30

爆炸科學與技術國家重點實驗室基金項目(YBKT14-07)

王琳(1971—)，女,博士，副教授， 主要從事金屬材料、納米晶材料研究，(E-mail) linwang@bit.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.000243

TG115.5

A

1005-5053(2017)03-0068-05