激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

闫春洋， 王 琳， 王东源， 张永忠

(1．北京理工大学 材料学院，北京 100081；2．北京理工大学 冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京 100081；3．北京有色金属研究总院，北京 100088)

激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

闫春洋1,2， 王 琳1,2， 王东源1,2， 张永忠3

(1．北京理工大学 材料学院，北京 100081；2．北京理工大学 冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京 100081；3．北京有色金属研究总院，北京 100088)

为了提高TC4药型罩的侵彻性能，将激光熔覆制备工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。选用TA15+30 %(质量分数，下同)TiC粉、TA15+20 %Cr3C2粉和TA15+15 %B4C粉作为TC4基体的熔覆材料。采用XRD、扫描电镜和显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验以及3点弯曲实验方法，研究熔覆层与基体界面处微观形貌、熔覆层硬度变化情况以及3种复合材料的力学性能。结果表明：TC4基体与3种材料都能形成完全冶金结合，TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4-(TA15+B4C)材料的强度均高于TC4基体材料，塑性略差；TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)材料的抗弯强度分别为168 MPa，101 MPa，均高于TC4基体材料的45 MPa。

TC4复合药型罩材料；激光熔覆；力学性能；界面

药型罩材料的选择，直接影响各项技术指标能否达到，作战任务能否完成[1-2]。钛合金具有优异的综合力学性能，在国防工业和民用工业中得到了广泛应用[3]。作为一种新型药型罩材料，钛合金具有良好的塑性和韧性，声速高(6.0 km/s)，密度较低(4.5 g/cm3)，但由于硬度低，抗冲击性能差等缺点限制了它的广泛应用[4-5]。复合药型罩是指由不同性能的金属或合金按着药型罩不同结构部位的性能要求复合而成的药型罩。与单金属药型罩材料相比，复合药型罩材料有以下几个优点：(1)能量转换与吸收机制更加合理，能量利用率更高；(2)成本更低；(3)穿甲破甲性能更好，应用前景非常广阔[6]。为了改善钛合金的力学性能，研究人员发展了多种表面改性技术，如离子注入、激光氮化、超音速喷涂、微弧氧化等，这些技术在改善钛合金的抗磨损等性能方面取得了显著效果[7-10]。然而，将经过这些技术改性之后的钛合金应用于冲击环境下时，却存在着涂层较薄，与基体材料结合弱，抗冲击性能差等问题[11]。

激光熔覆是一种新兴的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能激光束使之与基材表面薄层一起快速熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的具有耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化等有别于基材性能的熔覆层[1]。与热喷涂、堆焊、电镀等传统表面处理技术相比，激光熔覆技术具有诸多优点，如界面结合强度高、适用的材料体系广泛、基体热变形小、熔覆层与基体为冶金结合、工艺易于实现自动化等[12-14]。本研究尝试将激光熔覆工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

基板材料采用TC4钛合金板，尺寸为40 mm×40 mm×10 mm，表面经400#砂纸打磨后用酒精擦拭干净。激光熔覆所用材料为TA15+30%TiC粉、TA15+20%Cr3C2粉和TA15+15%B4C粉；TA15粉末为气雾化球形粉末，粒度为50～150 μm，TiC粉、Cr3C2粉和B4C粉形状不规则，粒度为45 ～75 μm。在GH型三维运动高效混合机中低温干混8 h。混粉介质为φ10 mm的ZrO2球，球料比为2 ∶1。

1.2 激光熔覆工艺

采用TJ-HL-T5000型连续横流CO2激光器在TC4钛合金板上熔化沉积TA15+30%TiC粉、TA15+20 %Cr3C2粉和TA15+15 %B4C粉，送粉方式为同轴送粉，吹氩气保护熔池。具体工艺参数如表1所示。

表1 TC4复合材料激光熔覆工艺参数Table 1 Process parameters of laser deposition of TC4 composite

1.3 微观组织与力学性能测试方法

采用Bruker D8型X射线衍射仪(Cu靶，电压40 kV，电流5 mA，2θ=10°～80°)分析熔覆层或界面处的物相组成；采用Zeiss AXIO observerA1m光学显微镜对激光熔覆界面结合情况进行初步观察；采用Hitachi S-4800冷场发射型扫描电子显微镜对金相样品的组织和界面进行观察；采用Leco LM 700AT显微硬度计测量熔覆层硬度；采用WDW-E100D电子式万能试验机进行3点弯曲测试，试样尺寸为60 mm×10 mm×2 mm，熔覆层和基体材料厚度均为1 mm，测试时跨距为30 mm，加载速率为5 mm/min；采用Instron万能试验机进行准静态压缩测试，试样采用φ5 mm×8 mm的圆柱体结构，实验温度为室温25 ℃，应变率为10-3s-1；采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行动态压缩力学性能测试，SHPB试样采用φ4 mm×4 mm的圆柱体试样。

2 结果与分析

2.1 微观组织观察分析

2.1.1 熔覆层及界面物相分析

对熔覆成型的复合材料进行XRD分析，分别测定其熔覆层和界面处的物相成分。发现TC4-(TA15+B4C)和TC4-(TA15+TiC)复合材料熔覆层和界面处并没有新相形成，而TC4-(TA15+Cr3C2)界面处有TiCr2金属间化合物相生成，如图1所示。

图1 TC4-(TA15+Cr3C2)复合材料熔覆层XRD衍射谱Fig.1 XRD diffraction spectra of deposited coating of TC4-(TA15+Cr3C2)

2.1.2 激光熔覆界面微观形貌分析

3种熔覆成型复合材料的微观形貌如图2所示。

广东省政府5次召开专题会议研究广东农垦办社会职能改革，特别是2018年7月5日，召开广东农垦改革发展联席会议，对广东农垦办社会职能改革进行全面动员部署。在基础教育方面，省有关部门和属地政府认真研究并妥善解决处理好学校移交过程中所涉及的事业编制、人员移交和经费保障等难题。截至2018年9月15日，湛江、茂名、阳江、揭阳、汕尾5市已全部完成124所农垦学校、2492名在编在职人员的统一考试和顺利移交；2295名离退休人员也随学校一并移交。清产核资及备案、土地红线图确认、经费测算划转等工作正在紧密推进中。

图2 TC4基复合材料界面微观形貌Fig.2 Microstructure morphology of interface in TC4 matrix composites (a)TC4-(TA15+TiC)；(b)TC4-(TA15+Cr3C2)；(c)TC4-(TA15+B4C)

从图2(a)可以清晰地看出，TA15+TiC熔覆层内激光熔覆的每一层之间存在明显的界限，并且有大量颗粒状析出物；但总体上基体与熔覆层形成了较好的冶金结合，在界面处并没有产生气孔和裂纹。在图2(b)中，TC4基体和TA15+Cr3C2熔覆层均为典型的网篮组织，另外在熔覆层内还有大量析出的针状α相；可见Cr与Ti在熔覆过程中实现了原位合金化，熔覆层材料内部组织致密。从图2(c)可以看出，TC4基体与TA15+B4C熔覆层的界面并不明显，微观组织均为网篮组织，但是在熔覆层内部存在较多弥散分布的未熔的B4C颗粒。因为B4C的熔点在2300 ℃以上，而钛合金的熔点在1600 ℃左右，实验中所使用的激光功率并不能熔化B4C。

2.2 力学性能测试结果与分析

通常药型罩在形成射流后的侵彻过程中受力情况非常复杂，会同时受到多种载荷的共同作用。本研究通过显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验和3点弯曲实验进行了力学性能的测试与分析。

2.2.1 显微硬度测试结果与分析

3种钛基复合材料熔覆层硬度变化规律如图3所示，其中横坐标为测试点到界面的距离，单位为mm，距离为正表示测试点在熔覆层内，距离为负则表示测试点在基体上。

由图3可以看出，对于TC4-(TA15+B4C)复合材料，随着距界面距离的增加，熔覆层的硬度总体上是逐渐增大的，从450HV一直增加到1600HV左右。这主要是因为在激光熔覆初期，激光在熔化TA15+B4C混合粉的同时，也会将TC4基体熔化，从而使二者混合在一起，对熔覆材料起到一定的稀释作用，随着熔覆层厚度的增加，这种稀释作用越来越弱。

对于TC4-(TA15+TiC)和TC4-(TA15+Cr3C2)复合材料，随着距界面距离的增加，熔覆层的硬度变化相对稳定，基本在420～480HV之间波动，但是均高于TC4基体的硬度。熔覆层硬度比TC4基体略高是因为熔覆层中析出了TiCr2和TiC相。变化相对稳定则是因为基体与熔覆层材料的主要成分均为钛合金，导致TC4基体对熔覆材料的稀释作用对硬度变化的影响较小。

图3 熔覆层硬度变化Fig.3 Change of hardness of deposited coating

图4 准静态压缩应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of quasi static compression

3种TC4基复合材料及基体材料的轴向准静态压缩真应力-真应变曲线如图4所示。与TC4基体材料的准静态压缩曲线形状相近，都经历了弹性变形和塑性变形两个阶段，没有出现应力坍塌的现象。屈服强度均高于TC4基体材料的屈服强度，TC4-(TA15+B4C)的屈服强度甚至达到了1000 MPa，但塑性较TC4基体材料略差一些，同样TC4-(TA15+B4C)的塑性最差。在塑性变形阶段，相同应变情况下，复合材料的应力大，说明在这3种复合材料中都产生了不同程度的应变硬化。测试结果与显微硬度测试结果一致，TC4-(TA15+B4C)复合材料硬度最高，但塑性最差。

2.2.3 动态力学性能测试结果与分析

图5是在相同应变率加载下钛基复合材料的真应力-真应变曲线。由图5可知，3种TC4基复合材料与TC4基体材料的动态压缩曲线形状相近，均未出现明显的屈服平台；应力均高于TC4基体材料，说明熔覆层的存在提高了材料的动态抗压强度。一方面是因为熔覆层材料的强度均高于基体材料，而且由于激光熔覆的工艺特点，熔覆层材料的冷却速率很快，有利于形成细晶组织，其强度自然较高；另一方面，在激光熔覆过程中，熔覆层与基体的界面处发生了不同程度的化学成分和组织的变化，使基体的组织更为细小，加之中间相的形成有效地阻碍了位错的运动，在宏观上即表现为材料整体强度的提高。在1400 s-1和2100 s-1应变率下，3种TC4基复合材料的抗压强度均为1400 MPa左右，并无太大变化，但是在2100 s-1应变率下，其应变却均有不同程度的降低。这可能是由于随着应变率的增加，应变硬化作用基本没有变化，与1400 s-1下基本相似；尽管由于应变率的增加，热软化效应有所增强，但二者基本保持平衡，在宏观上即表现为抗压强度基本不变，变形增大。

2.2.4 抗弯强度测试结果与分析

鉴于在TC4基体上熔覆TA15+Cr3C2和TA15+TiC材料界面结合情况较好，熔覆层内部缺陷较少，所以对上述两种材料进行抗弯强度测试，以确定其抗弯性能。结果如图6所示。TC4-(TA15+TiC)材料在位移量达到6 mm左右时才开始发生韧性断裂，可见TC4-(TA15+TiC)复合材料的抗弯强度和塑性均高于TC4基体材料。在断口位置没有发现熔覆层与基体分离的现象，说明二者为完全冶金结合，结合强度较高。TC4-(TA15+Cr3C2)材料在位移量达到0.8 mm左右时，载荷突然由0.9 kN骤降到了0.4 kN。说明此时基体与熔覆层的结合界面发生了部分分离；可见，二者虽然也形成了完全冶金结合，但结合强度较TC4-(TA15+TiC)材料较差。由公式(1)可以计算出TC4-(TA15+TiC)，TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4三种材料的抗弯强度分别为：168 MPa，101 MPa和45 MPa。

图5 相同应变率下真应力-真应变曲线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为测试时最大外加载荷；L为跨距；B为试样宽度；H为试样厚度。

图6 TC4及TC4基复合材料抗弯性能曲线Fig.6 Bending resistance curves of TC4 and TC4 matrix composites

3 结 论

(1)采用激光熔覆的方法在TC4基板上熔覆TA15+30 %TiC和TA15+20 %Cr3C2工艺性较好，能够形成完全冶金结合，熔覆TA15+15%B4C工艺性相对较差，界面处出现了裂纹。

(2)TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr3C2)和TC4-(TA15+B4C)材料熔覆层的硬度以及屈服强度均高于TC4基体，只是塑性略差。

(3)TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr3C2)材料的抗弯强度分别为168 MPa，101 MPa均高于TC4基体材料的45 MPa。

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(责任编辑：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

爆炸科学与技术国家重点实验室基金项目(YBKT14-07)

王琳(1971—)，女,博士，副教授， 主要从事金属材料、纳米晶材料研究，(E-mail) linwang@bit.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.000243

TG115.5

A

1005-5053(2017)03-0068-05