简介概要

激光熔化沉积NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金的显微组织和耐磨性

来源期刊:中国有色金属学报2006年第5期

论文作者:李昂 李安 张凌云 王华明

文章页码:867 - 873

关键词:激光熔化沉积; NiTi; Ni3Ti; 磨损; 显微组织

Key words:laser melting deposition; NiTi/Ni3Ti; wear; microstructure

摘    要:利用激光熔化沉积技术制备出分别以NiTi和Ni3Ti为初生相的NiTi/Ni3Ti金属间化合物耐磨合金, 采用XRD、 OM、 SEM、 EDS等手段分析合金的组织, 测试合金的室温干滑动磨损性能。 结果表明, 其室温干滑动磨损机制为软磨料磨损和氧化磨损; 对于以Ni3Ti为初生相的合金, 其室温干滑动磨损机制在中低负荷下为氧化磨损和显微切削, 在高负荷下则是Ni3Ti的显微切削; 以NiTi为初生相的NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金具有更好的抗室温摩擦磨损性能。

Abstract: The wear-resistant NiTi/Ni3Ti intermetallic alloys were designed and fabricated by the laser melting deposition process. The as-solidified microstructures of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloys were characterized by X-ray diffraction(XRD), optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive spectrometer(EDS). The wear resistance of the alloys was evaluated under room-temperature dry sliding wear test condition coupling with hardened bearing steel GCr15. The results indicate that the room temperature dry-sliding wear mechanism of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with NiTi dendrite as the primary phase is soft abrasion and oxidative wear, while that of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with Ni3Ti as the primary phase is oxidative wear and micro-cutting under low/medium normal load, and micro-cutting is under high normal load; the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with NiTi dendrite as the primary phase has better wear resistance under dry sliding wear test conditions than that with Ni3Ti as the primary phase.

基金信息:国家自然科学基金重点资助项目



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文章编号: 1004-0609(2006)05-0867-07

激光熔化沉积NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金的

显微组织和耐磨性

李 昂, 李 安, 张凌云, 王华明

(北京航空航天大学 材料科学与工程学院 激光材料加工制造技术实验室, 北京 100083)

摘 要: 利用激光熔化沉积技术制备出分别以NiTi和Ni3Ti为初生相的NiTi/Ni3Ti金属间化合物耐磨合金, 采用XRD、 OM、 SEM、 EDS等手段分析合金的组织, 测试合金的室温干滑动磨损性能。 结果表明, 其室温干滑动磨损机制为软磨料磨损和氧化磨损; 对于以Ni3Ti为初生相的合金, 其室温干滑动磨损机制在中低负荷下为氧化磨损和显微切削, 在高负荷下则是Ni3Ti的显微切削; 以NiTi为初生相的NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金具有更好的抗室温摩擦磨损性能。

关键词: 激光熔化沉积; NiTi; Ni3Ti; 磨损; 显微组织 中图分类号: TG146

文献标识码: A

Microstructure and wear resistance of

laser melting deposited NiTi/Ni3Ti intermetallic alloys

LI Ang, LI An, ZHANG Ling-yun, WANG Hua-ming

(Laboratory of Laser Materials Processing and Manufacturing,

School of Materials Science and Engineering,

Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)

Abstract: The wear-resistant NiTi/Ni3Ti intermetallic alloys were designed and fabricated by the laser melting deposition process. The as-solidified microstructures of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloys were characterized by X-ray diffraction(XRD), optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive spectrometer(EDS). The wear resistance of the alloys was evaluated under room-temperature dry sliding wear test condition coupling with hardened bearing steel GCr15. The results indicate that the room temperature dry-sliding wear mechanism of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with NiTi dendrite as the primary phase is soft abrasion and oxidative wear, while that of the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with Ni3Ti as the primary phase is oxidative wear and micro-cutting under low/medium normal load, and micro-cutting is under high normal load; the NiTi/Ni3Ti intermetallic alloy with NiTi dendrite as the primary phase has better wear resistance under dry sliding wear test conditions than that with Ni3Ti as the primary phase.

Key words: laser melting deposition; NiTi/Ni3Ti; wear; microstructure

                       

金属间化合物NiTi具有独特的形状记忆效应和超弹性、 优异的强韧性配合及优良的生物相容性, 在工业装备及生物工程等领域得到广泛应用。 在Ni-Ti二元合金系中, 除NiTi外, 还存在Ni3Ti、 NiTi2两种金属间化合物, 其中Ni3Ti具有六方晶系D024 型晶体结构, 被广泛用作钴基、 镍基和铁基高温合金中的沉淀析出强化相[1-12]

近年来的研究表明, NiTi金属间化合物合金在干滑动磨损条件下还表现出很好的耐磨性能。 金嘉陵[13]对几种近等原子比NiTi合金的滑动磨损性能进行了研究, 发现高载荷下NiTi合金虽然硬度明显较低, 但其耐磨性却明显优于渗氮38CrMoAl钢和Co45钴基耐磨合金; 其独特的超弹性及高阻尼特性被认为是NiTi合金具有优异耐磨性的主要原因。 Li[14]对NiTi合金的耐磨性作了研究, 认为形状记忆效应和超弹性改变了表面接触状态, 马氏体择优取向和应力诱发马氏体相变对裂纹的钝化作用, 使NiTi具有良好的抗干滑动磨损性能。 徐久军等[15]研究了NiTi合金的砂磨损行为, 并与Cr13钢进行了对比试验研究, 结果发现NiTi合金的磨损量仅为Cr13钢的19%。

[BJ(,,,][BJ)] 第16卷第5期        李 昂, 等: 激光熔化沉积NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金的显微组织和耐磨性 Ni3Ti只能以严格化学计量比的形式存在, 在Inconel 706和Incoloy 901等镍基和铁基高温合金中, Ni3Ti是一种重要的沉淀析出强化相。 通过共晶反应向韧性相中引入强化相是设计制备金属高耐磨材料的重要手段, 因此, 以Ni3Ti为强化相、 以NiTi为基体的金属间化合物合金可望具有优良的耐磨性能。 迄今为止, 没有发现研究单相Ni3Ti金属间化合物耐磨性能的相关文献。 本文作者设计并利用激光化沉积技术(见图1), 制得NiTi/Ni3Ti双相金属间化合物耐磨合金, 对该合金的显微组织结构以及在室温干滑动磨损实验条件下的耐磨性进行研究。

图1   合金激光熔化沉积示意图

Fig.1   Schematic illustration of laser melting deposition process

1 实验

设计了质量分数(%)分别为Ni62Ti38和Ni70.8Ti29.2的NiTi/Ni3Ti金属间化合物耐磨合金, 选用粒径小于48μm的雾化纯镍粉和粒径小于147μm雾化纯钛粉作为原材料, 粉末混合均匀后在100℃电炉下保温干燥6h。 激光熔化沉积实验在三座标四轴联动数控激光加工机床的8kW横流连续CO2激光加工系统上进行, 将混合粉末置于水冷铜模中, 实验中通氩气保护。 激光熔炼工艺参数为: 激光功率3kW、 光斑直径4mm。 采用机械抛光工序制备铸锭的金相截面, 使用体积比为1∶6∶7的HF-HNO3-H2O腐蚀液腐蚀。 用Olympus BX51M光学显微镜(OM)观察显微组织, 用Dmax-rB旋转阳极X射线衍射仪(采用CuKα, 扫描速度5(°)/min, 管压40kV)并结合Link ISIS能谱仪进行物相鉴定。 室温干滑动磨损实验在MM-200型摩擦磨损试验机上进行, 试样尺寸为10mm×10mm×10mm, 对磨环为淬火GCr15钢环(硬度为HRC57~59), 法向载荷分别选取98、 147和196N, 对磨环转速为400r/min, 相对滑动速度为0.838m/s, 磨损时间为60min, 总滑动行程为3016m。 以淬火45#钢试样作为标样, 磨损实验前后的试样及摩擦副均采用超声波清洗, 并使用精度为0.1mg的Sartorius BS110型电子天平称取试样的磨损量, 再将清洗后的试样进行SEM观察磨损表面形貌。

2 结果与讨论

Ni62Ti38和Ni70.8Ti29.2合金粉末激光熔化沉积所得铸锭的X射线衍射谱如图2所示。 由图可知, 两合金均由金属间化合物NiTi和Ni3Ti组成; 图3和4所示分别为Ni62Ti38和Ni70.8Ti29.2合金的组织形貌。 通过EDS分析和硬度测试并结合NiTi/Ni3Ti二元共晶相图可知, Ni62Ti38合金由NiTi初生树枝晶和基体NiTi/Ni3Ti共晶组织组成, Ni70.8Ti29.2合金由大块状Ni3Ti初生相和基体NiTi/Ni3Ti共晶组织组成。

图2   NiTi/Ni3Ti金属间化合物合金的X射线衍射谱

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