基于稀土添加的激光改性层搭接区冶金行为及阻裂调控研究

钛合金用于航空领域摩擦构件时存在耐磨性差的不足，通过激光表面改性技术对其处理是一种非常有效的手段。但研究发现大面积表面改性时在界面搭接区表层/亚表层及其与基底界面处易萌生裂纹，这个问题的存在阻碍了激光合成大面积改性层的工业应用。本课题拟通过搭接区冶金行为对开裂敏感性影响的研究，来解决这一问题。.在前期研究基础上，首先对搭接区组元体系添加稀土前后的热力学、动力学及其组织演变规律进行研究，进而研究稀土添加对搭接区组元扩散和交互作用等冶金行为的影响；其次对不同搭接率条件下搭接区中残余应力的分布及大小进行数值模拟计算，并和实验结果进行验证；接下来通过自然和人为制造开裂行为来研究搭接区不同区域的开裂敏感性。在此基础上建立搭接区冶金行为和开裂敏感性之间的关联，揭示搭接区开裂机制，以实现开裂行为的有效调控。本项目研究对于无裂纹大面积激光改性层的设计、合成及其开裂失效行为的预测、防止有着重要意义。

本课题着重研究了稀土添加作用下搭接涂层组织的演变规律，及稀土添加对搭接涂层力学性能的影响规律，揭示了稀土的作用机制。本研究成果对于无裂纹大面积激光改性层的设计、合成及其开裂失效行为的防止有着重要意义。.本项目主要开展了以下三方面的研究工作：.1）研究了稀土添加对TiB/TiC增强钛基搭接涂层显微组织的影响。.① 针对所采用的熔覆材料，通过Thermo-Calc热力学软件计算得到了三元系Ti-B-C在不同温度下的等温截面相图，分析了该体系在不同温度下的物相组成变化，为揭示搭接涂层微观组织的演变规律提供了热力学参考；另外通过计算体系中可能发生的化学反应在不同温度下吉布斯自由能变化的情况，进一步揭示了搭接涂层在熔凝过程中不同组元的交互作用等冶金行为；.② 适量稀土的添加（2 wt.%）可以显著细化基体α(Ti)的晶粒；还可阻止溶质原子C向α-Ti溶剂的扩散，进而增加了增强相TiC的体积分数，降低了基体晶格的畸变度，也降低了搭接涂层中的残余应力； .③ 基体晶粒细化和增强相体积分数的增加提高了搭接涂层的塑性变形抗力；.④ 基体晶粒细化和晶格畸变度的降低提高了搭接涂层断裂韧度，并降低了基体中的残余应力，双重因素导致搭接涂层的开裂敏感性显著降低。.2）研究了稀土添加对搭接涂层开裂敏感性的影响，揭示了搭接涂层的强韧化机制，进一步研究了稀土添加对搭接涂层磨损行为的影响。.① 适量稀土添加（2wt.%）可以适度提高搭接涂层的硬度，平均硬度由HV725.30提高到HV812.90，且随距表面距离的变化硬度起伏变缓；.② 稀土的添加可以显著提高搭接涂层的断裂韧度，由8.32 MPa•m1/2提高到17.36 MPa•m1/2，降低了搭接涂层的开裂敏感性；.③ 硬度的提高赋予了搭接涂层优异的抗微观切削能力，而断裂韧度的提高又使其具有出色的抗开裂剥落能力，双重因素导致涂层的综合磨损性能得到了显著改善。 .3）研究了稀土添加对搭接涂层中人为制造裂纹热循环条件下扩展行为的影响。.① 稀土的添加可以显著提高搭接涂层中裂纹萌生的门槛，降低裂纹扩展速率。当稀土添加量为2 wt.%时，搭接涂层的抗裂性能最优；.② 未含稀土搭接涂层无论是裂纹长度，还是随循环次数增加其扩展速率均为最大；.③ 当稀土添加量超过2 wt.%时，搭接涂层的阻裂能力又呈下降趋势。