TC4表面镍基涂层的微观组织及高温抗变形性能

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240094

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (1): 108-117.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240094

TC4表面镍基涂层的微观组织及高温抗变形性能

付宇明, 李长城, 闫茂荣, 郑立娟

燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004

收稿日期:2024-03-04 出版日期:2025-01-25 发布日期:2025-01-02
通信作者: 郑立娟（1971—），女，博士，教授，主要从事电磁热强化及激光熔覆强化与再制造研究。 E-mail:ydzlj@ysu.edu.cn
作者简介:付宇明（1971—），男，博士，教授，主要从事激光熔覆强化与再制造、电磁热止裂技术等研究。E-mail： mec9@ysu.edu.cn
基金资助:
河北省自然科学基金项目(E2021203218)

Microstructure and High Temperature Deformation Resistance of Nickel-Based Coating on TC4 Surface

FU Yuming, LI Changcheng, YAN Maorong, ZHENG Lijuan

School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China

Received:2024-03-04 Online:2025-01-25 Published:2025-01-02
Contact: 郑立娟（1971—），女，博士，教授，主要从事电磁热强化及激光熔覆强化与再制造研究。 E-mail:ydzlj@ysu.edu.cn
About author:付宇明（1971—），男，博士，教授，主要从事激光熔覆强化与再制造、电磁热止裂技术等研究。E-mail： mec9@ysu.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Hebei Province(E2021203218)

摘要/Abstract

摘要：

为研究TC4表面激光熔覆涂层的耐高温抗变形性能，采用激光熔覆技术，以GH4169镍基高温合金粉末为基粉，HfC、ZrC、TaC、NbC过渡族碳化物为增强相，在TC4基材上制备不同比例的镍基金属-多元陶瓷复合涂层，通过组织表征和性能测试系统研究了不同多元陶瓷粉末含量涂层的微观组织、涂层硬度和高温抗变形能力。研究结果表明：碳化物陶瓷增强相的添加使涂层微观组织细化，硬度得到提升，当陶瓷增强相添加量为15%时涂层硬度最高，是基材的2.54倍；随温度升高，纯镍基熔覆涂层内部枝晶组织发生了溶解和分离，并逐渐等轴化；添加15%陶瓷粉末的镍基熔覆涂层中出现了枝晶破碎情况，熔覆层中弥散分布的陶瓷增强相发生了聚集长大现象；在3种高温压缩试验温度（700、800、900 ℃）下，试件的最大等效应力和最大等效应变均出现在基材内部，相比于TC4试件，激光熔覆试件在涂层结合区产生应力突变，涂层的抗变形能力有所增强。

关键词: TC4钛合金, 激光熔覆, 微观组织, 显微硬度, 高温压缩

Abstract:

In order to study the high temperature and deformation resistance of laser cladding coating on TC4 surface, different proportions of nickel-metal-multi-ceramic composite coatings were prepared on TC4 matrix by laser cladding technology. And GH4169 nickel-based superalloy powder was taken as the base powder, HfC, ZrC, TaC and NbC transition carbides as the reinforcing phase. The microstructure, hardness and high temperature deformation resistance of coatings with different multi-component ceramic powder contents were systematically studied by microstructure characterization and performance experiments. The results show that the addition of carbide ceramic reinforcement phase refines the microstructure of the coating and improves the hardness, and the hardness is the highest when the proportion of ceramic reinforcement phase is 15%, which is 2.54 times that of the substrate. With the increase of temperature, the internal dendrites of the pure nickel-based cladding coating were dissolved and separated, and gradually isoaxed. The dendrite fragmentation appeared in the nickel-based cladding coating supplemented with 15% ceramic powder, and the ceramic strengthened phase dispersed in the cladding layer gathered and grew. Under the conditions of three temperature compression test temperatures (700, 800 and 900 ℃), the maximum equivalent stress and maximum equivalent strain of the specimen appear in the matrix, and compared with the TC4 specimen, the laser cladding specimen produces a stress abrupt change in the coating bonding zone, and the deformation resistance ability of the laser cladding specimen coating is enhanced.

Key words: TC4 titanium alloy, laser cladding, microstructure, microhardness, high temperature compression

中图分类号:

TG174

付宇明, 李长城, 闫茂荣, 郑立娟. TC4表面镍基涂层的微观组织及高温抗变形性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(1): 108-117.

FU Yuming, LI Changcheng, YAN Maorong, ZHENG Lijuan. Microstructure and High Temperature Deformation Resistance of Nickel-Based Coating on TC4 Surface[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(1): 108-117.

图/表 16

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参考文献 21

1	郭鲤，何伟霞，周鹏，等．我国钛及钛合金产品的研究现状及发展前景［J］．热加工工艺，2020，49（22）：22-28.
	GUO Li， HE Weixia， ZHOU Peng，et al ．Research status and development prospect of titanium and titanium alloy products in China［J］．Hot Working Technology，2020，49（22）：22-28.
2	李毅，赵永庆，曾卫东．航空钛合金的应用及发展趋势［J］．材料导报，2020，34（Z1）：280-282.
	LI Yi， ZHAO Yongqing， ZENG Weidong ．Application and development of aerial titanium alloys［J］．Materials Reports，2020，34（Z1）：280-282.
3	张津超，石世宏，龚燕琪，等．激光熔覆技术研究进展［J］．表面技术，2020，49（10）：1-11.
	ZHANG Jin-chao， Shi Shi-hong， GONG Yan-qi，et al ．Research progress of laser cladding technology［J］．Surface Technology，2020，49（10）：1-11.
4	杜学芸，许金宝，宋健．激光熔覆再制造技术研究现状及发展趋势［J］．金属加工（热加工），2020（3）：15-19.
	DU Xueyun， XU Jinbao， SONG Jian ．Research status and development trend of laser cladding remanufacturing technology［J］．MW Metal Forming，2020（3）：15-19.
5	刘录录，孙荣禄．激光熔覆技术及工业应用研究进展［J］．热加工工艺，2007，36（11）：58-61.
	LIU Lu-lu， SUN Rong-lu ．Development of laser cladding technology and industrial application［J］．Hot Working Technology，2007，36（11）：58-61.
6	赵永庆，葛鹏，辛社伟．近五年钛合金材料研发进展［J］．中国材料进展，2020，39（7/8）：527-534，557-558.
	ZHAO Yongqing， GE Peng， XIN Shewei ．Progresses of R＆D on Ti-alloy materials in recent 5 years［J］．Materials China，2020，39（7/8）：527-534，557-558.
7	覃鑫．基于耐磨和耐高温氧化的TC4表面激光熔覆工艺研究［D］．乌鲁木齐：新疆大学，2022.
8	张云龙．Si的添加对TC4合金镍基涂层高温氧化及机械性能的影响［D］．上海：上海工程技术大学，2021.
9	娄燕，李落星，彭大暑．Ti3Al5Mo5V合金在热压缩变形状态下的组织和应力分析［J］．金属热处理，2003，28（4）：36-39.
	LOU Yan， LI Luo-xing， PENG Da-shu ．Analysis on microstructures and stress of Ti3Al5Mo5V alloy at hot compressing deformation state［J］．Heat Treatment of Metals，2003，28（4）：36-39.
10	WANG Z， WANG X， ZHU Z ．Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy［J］．Journal of Alloys and Compounds，2017，692：149-154.
11	郭建亭．高温合金材料与工程应用［M］．北京：科学出版社，2010.
12	谢佳明，董合凤，张鹏鹏，等．材料表面改性技术的发展研究［J］．科技展望，2016，26（12）：161.
	XIE Jiaming， DONG Hefeng， ZHANG Pengpeng，et al ．Research on the development of material surface modification technology［J］．Science and Technology，2016，26（12）：161.
13	SIMS C T ．高温合金宇航和工业动力用的高温材料［M］．大连：大连理工大学出版社，1992.
14	冯亮，曲恒磊，赵永庆，等．TC21合金的高温变形行为［J］．航空材料学报，2004，24（4）：11-13.
	FENG Liang， QU Heng-lei， ZHAO Yong-qing，et al ．High temperature deformation behavior of TC21 alloy［J］．Journal of Aeronautical Materials，2004，24（4）：11-13.
15	李涵．钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层研究［D］．大连：大连理工大学，2017.
16	宁永强，陈泳屹，张俊，等．大功率半导体激光器发展及相关技术概述［J］．光学学报，2021，41（1）：0114001-1-0114001-10.
	NING Yongqiang， CHEN Yongyi， ZHANG Jun，et al ．Brief review of development and techniques for high power semiconductor lasers［J］．Acta Optica Sinica，2021，41（1）：0114001-1-0114001-10.
17	凌妍，钟娇丽，唐晓山，等．扫描电子显微镜的工作原理及应用［J］．山东化工，2018，47（9）：78-79，83.
	LING Yan， ZHONG Jiaoli， TANG Xiaoshan，et，al ．The principle and application of scanning electron microscope［J］．Shangdong Chemical Industry，2018，47（9）：78-79，83.
18	陈向文，庄哲峰，孟素各．激光熔覆不同TiC含量硬质合金层的组织与性能［J］．机电技术，2015（6）：115-118.
	CHEN Xiangwen， ZHUANG Zhefeng， MENG Suge ．Structure and properties of cemented carbide layers with different TiC contents by laser cladding［J］．Mechanical & Electrical Technology，2015（6）：115-118.
19	周军，曾卫东，舒滢，等．热变形参数对Ti-17合金的片状α球化过程的影响［J］．热加工工艺，2005（1）：16-18，41.
	ZHOU Jun， ZENG Wei-dong， SHU Ying，et al. Influence of hot processing parameters on globularization of lamellar α in Ti-17 alloy［J］．Hot Working Technology，2005（1）：16-18，41.
20	谭金花．TC4合金表面激光熔覆钛基复合涂层组织及性能研究［D］．天津：天津工业大学，2020.
21	种润，郭绍庆，张文扬，等．GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟［J］．焊接，2021（3）：13-21，61-62.
	ZHONG Run， GUO Shaoqing， ZHANG Wenyang，et al ．Numerical simulation of thermal-mechanical development of GH4169 alloy in laser additive manufacturing process［J］．Welding & Joining，2021（3）：13-21，61-62.

粉末编号	质量分数/%
粉末编号	ZrC	NbC	HfC	TaC	GH4169
A	0.00	0.00	0.00	0.00	100.00
B	1.25	1.25	1.25	1.25	95.00
C	2.50	2.50	2.50	2.50	90.00
D	3.75	3.75	3.75	3.75	85.00

[1]	郑立娟, 谢印凯, 张阔, 等. TC4表面耐高温氧化熔覆涂层的制备及性能研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(3): 97-104.
[2]	罗震, 苏杰, 王小华, 等. 激光 — 电弧复合焊接铝合金的研究进展分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(3): 57-74.
[3]	付宇明, 马顺芯, 刘绍峰, 等. TC4表面激光熔覆硬质复合涂层组织与性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(3): 10-17.
[4]	郑立娟, 胡紫涛, 刘绍峰, 等. TC4表面激光熔覆硬质涂层的制备与分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(6): 146-152.
[5]	康澜, 邬彬, 陈志邦. 激光熔覆技术修复局部腐蚀钢板后修复件的力学性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(5): 137-146.
[6]	曹发祥, 孔金星, 杜东兴. Nd: YAG 晶体表面性能等离子体改性研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(3): 55-61.
[7]	周滔, 何林, 田鹏飞, 等. 切削过程中剪切区微观组织演化的预测模型[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(1): 82-92.
[8]	殷晓龙邓文君张嘉阳皮云云. 超低温挤出切削7075 铝合金的组织与性能 [J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(5): 89-95.
[9]	吕非田宗军梁绘昕谢德巧沈理达肖猛. AlSi10Mg铝合金激光熔化沉积显微组织及力学性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(10): 117-125.
[10]	庞启航唐荻赵征志徐梅. 析出相对Nb-V-Ti 微合金钢显微组织和性能的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(2): 133-139.
[11]	孔金星邓飞赵威何宁. 冷却润滑方式对纯铁车削表面完整性的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(6): 89-95.
[12]	赵征志佟婷婷董瑞丁然张聪孟祥. 1300MPa 级C-Si-Mn 系冷轧超高强钢的组织及性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(6): 65-72.
[13]	张明赵海东张卫文罗宗强李元元. 间接挤压铸造AI-Cu-Mn 支架的工艺及性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2007, 35(3): 16-21.

TC4表面镍基涂层的微观组织及高温抗变形性能

Microstructure and High Temperature Deformation Resistance of Nickel-Based Coating on TC4 Surface

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