Resistencia a la corrosión y al desgaste de la aleación de titanio

1 Tecnología de modificación de la superficie de la aleación de titanio.
La aleación de titanio tiene baja densidad, alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión y fuerte resistencia a la fatiga. Se ha utilizado ampliamente en los campos aeroespacial, de carcasas, automotriz, médico y otros. Sin embargo, la aleación de titanio tiene un alto coeficiente de fricción, es muy sensible al desgaste adhesivo y al microdesgaste, tiene poca resistencia al desgaste, es fácil de encender a alta temperatura y fricción a alta velocidad, y tiene una resistencia relativamente pobre a la oxidación a alta temperatura, lo que afecta seriamente la seguridad y confiabilidad de su estructura y limita en gran medida su aplicación.

Por lo tanto, mejorar aún más las propiedades de la superficie de la aleación de titanio, como la resistencia al desgaste, la resistencia a la oxidación a alta temperatura y la resistencia a la corrosión, se ha convertido en un problema urgente que debe resolverse. Además de mejorar la composición y el proceso de preparación de la aleación, la modificación de la superficie de la aleación de titanio es actualmente el método más eficaz.

En la tecnología tradicional de modificación de superficies, la implantación de iones está restringida por la energía de implantación de iones y la capa de refuerzo es muy superficial; la carburación iónica, la boración y la nitruración tienen las desventajas de un ciclo de procesamiento largo y una fácil deformación de las piezas de trabajo a alta temperatura; la capa modificada por pulverización térmica tiene una estructura suelta y una fuerza de unión relativamente baja con el sustrato, y no es fácil formar una unión metalúrgica con alta fuerza de unión. La tecnología de modificación de superficies por láser es el producto de la combinación de tecnología láser y tratamiento térmico de metales. Se trata de aplicar una energía extremadamente alta a la superficie del material para provocar cambios físicos y químicos, cambiando así significativamente la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y el rendimiento a alta temperatura del material. Debido a la velocidad de calentamiento extremadamente rápida producida por la alta densidad de energía, la salida de potencia controlable precisa y la selectividad de la superficie local modificada, la tecnología de modificación de superficies por láser ha atraído una amplia atención y atención.

2 capas de revestimiento de material compuesto tic/ti
El revestimiento láser, también conocido como recubrimiento láser o fusión láser, es un nuevo tipo de tecnología de procesamiento de materiales y modificación de superficies. Su esencia es rociar polvo con propiedades especiales (como resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, etc.) sobre la superficie del metal o alimentar polvo sincrónicamente con el rayo láser, y luego hacer que se derrita, se expanda y se solidifique rápidamente bajo la acción del rayo láser, formando una capa de unión metalúrgica sin grietas ni poros en la superficie del sustrato. Una tecnología de modificación de superficies. La tecnología de revestimiento láser tiene las siguientes ventajas: 1) El rayo láser tiene una alta densidad de energía, una velocidad de enfriamiento rápida durante la solidificación y una estructura de solidificación fina de la capa de revestimiento láser; 2) Se pueden realizar diferentes revestimientos en diferentes partes de la misma pieza según las necesidades: 3) La combinación de sustrato y capa de revestimiento es unión metalúrgica, y la estructura de la capa de revestimiento tiene características de gradiente obvias, de modo que la capa de revestimiento y el sustrato tienen una buena unión.

El revestimiento láser es la tecnología de modificación de superficies por láser de aleación de titanio más utilizada. Según los diferentes componentes y propiedades obtenidos por la capa de revestimiento láser, se divide principalmente en capas de revestimiento resistentes al desgaste, resistentes a la oxidación a alta temperatura, biológicas y de barrera térmica. La resistencia al desgaste de la aleación de titanio es relativamente pobre, por lo que la investigación sobre el revestimiento láser de la superficie de la aleación de titanio se centra principalmente en mejorar la resistencia al desgaste. Los materiales para la capa modificada resistente al desgaste del revestimiento láser en la superficie de la aleación de titanio son principalmente B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, Si C, Ti B, TiB2, A1203, etc.

Los materiales cerámicos tienen una excelente resistencia al desgaste, a la corrosión, al calor y a la oxidación a alta temperatura, pero su fragilidad, su escasa resistencia a la fatiga, su sensibilidad a la tensión y a las grietas y su dificultad de procesamiento limitan su aplicación. La investigación sobre la tecnología de revestimiento cerámico con revestimiento láser sobre superficies de aleaciones de titanio ha ampliado el ámbito de aplicación de los materiales cerámicos, combinando orgánicamente el excelente rendimiento de los materiales cerámicos con la tenacidad y la buena procesabilidad de los materiales de aleaciones de titanio, dando pleno juego a las ventajas integrales de los dos tipos de materiales y satisfaciendo las necesidades de rendimiento estructural (resistencia, tenacidad, etc.) y rendimiento medioambiental (resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, etc.), y obteniendo una estructura de material compuesto muy ideal.

3 Aleación láser de superficies de aleación de titanio
La aleación por láser consiste en fundir rápidamente uno o más elementos de aleación con la superficie del sustrato bajo la acción de un haz láser de alta energía, es decir, utilizar el láser para cambiar la composición química del metal y la superficie de la aleación. Este método tiene las siguientes ventajas:

1) El rendimiento de las aleaciones avanzadas se puede obtener después del tratamiento superficial local de las piezas metálicas;

2) La profundidad y el ancho de la capa modificada se controlan con precisión;

3) Debido al gran gradiente de temperatura de la capa de calentamiento por láser, la capa de unión es estrecha, la calidad de la unión es buena y el efecto adverso sobre el rendimiento del metal base es mínimo. La diferencia entre la aleación por láser y el revestimiento por láser es que la aleación por láser consiste en mezclar completamente los elementos de aleación añadidos y la capa superficial del sustrato en estado líquido para formar una capa de aleación; mientras que el revestimiento por láser consiste en fundir por completo la capa de prerrevestimiento y fundir ligeramente la capa superficial del sustrato, de modo que la capa de revestimiento y el material del sustrato formen una unión metalúrgica mientras se mantiene básicamente inalterada la composición de la capa de revestimiento.

4 Preparación de la placa de titanio fundida por láser

La fusión por láser se refiere al uso de un rayo láser de alta densidad de energía para escanear la superficie de la pieza de trabajo, fundir una capa delgada de la superficie y solidificarla a una velocidad de enfriamiento extremadamente rápida. La fusión por láser puede obtener una capa modificada con alta dureza, alta resistencia y rendimiento a alta temperatura en la superficie del material metálico, al tiempo que mantiene el núcleo de la pieza aún en buena tenacidad, de modo que la pieza tenga las características de buena resistencia a la corrosión, alta tenacidad al impacto y alta resistencia a la fatiga. La fusión por láser es un proceso metalúrgico físico no equilibrado de solidificación rápida local. Este método tiene las características de alta densidad de potencia, pequeña deformación de la pieza de trabajo y proceso simple. En particular, el gradiente de temperatura de la interfaz de solidificación de la fusión por láser puede ser tan alto como 103K/mm, y la velocidad de solidificación puede ser tan alta como varios metros por segundo, lo que puede obtener una organización y estructura ultrafinas. Por lo tanto, en los últimos años, la tecnología de fusión por láser se ha utilizado ampliamente en la tecnología de modificación de superficies metálicas y también se ha aplicado a superficies de aleación de titanio.

5 Solución al problema de las grietas en la superficie del láser
Aunque la tecnología de modificación de la superficie por láser de aleación de titanio se ha utilizado ampliamente en esta etapa, todavía quedan muchos problemas por resolver en términos de proceso. El primero es el problema de las grietas de modificación de la superficie por láser. Además, la repetibilidad de los resultados del procesamiento láser, especialmente la mala repetibilidad de los resultados de aleación láser y revestimiento láser utilizando polvo cerámico, también es un problema importante.

5.1 Parámetros del proceso del rayo láser para la modificación de la superficie del láser Los parámetros del proceso de modificación de la superficie del láser incluyen principalmente la potencia del láser, el tamaño del punto, la velocidad de escaneo, la tasa de superposición, la distribución de la energía del rayo láser, etc., que tienen un impacto en la calidad de la capa modificada. La distribución de energía del rayo láser se describe mediante el modelo del rayo láser, que incluye principalmente cuatro modelos: modelo gaussiano, modelo múltiple, modelo rectangular y modelo superior cóncavo. El rayo gaussiano es el más adecuado para aplicaciones de corte y soldadura, pero no es adecuado para la modificación de la superficie del láser. Tiende a causar gasificación y fusión profunda en la matriz. Cuando se modifican múltiples láseres, se generan fácilmente defectos graves como colapso y poros en la superposición de la capa modificada. Para obtener una capa modificada plana y de alto rendimiento, estos parámetros deben optimizarse integralmente para lograr la mejor combinación.

5.2 Nanodensidad y mecanismo de formación de grietas durante la modificación
La modificación de la superficie por láser de la aleación de titanio es un proceso metalúrgico de rápida fusión y solidificación. Existen fenómenos físicos y químicos complejos como transferencia de calor, transferencia de masa, convección, difusión y cambio de fase durante el procesamiento láser. Es muy fácil que se produzcan grietas en la superficie de la capa modificada y en la zona de transición entre la capa modificada y la matriz. Los defectos internos como las grietas afectan gravemente la calidad de la capa modificada. Por lo tanto, el mecanismo de generación de grietas durante la modificación por láser se ha convertido en un tema candente para los investigadores de varios países. Muchos académicos han propuesto métodos de control de grietas durante la modificación por láser, que incluyen principalmente la optimización de los parámetros del proceso de modificación por láser, el ajuste de los materiales de la capa modificada, la modificación de las capas modificadas por láser con aditivos, el precalentamiento y el enfriamiento lento de los sustratos de aleación de titanio durante la modificación por láser y la introducción de vibración ultrasónica durante la modificación por láser. Los estudios han demostrado que la introducción de vibración ultrasónica durante el revestimiento láser puede mejorar la fluidez del baño de líquido fundido, permitiendo que las burbujas escapen rápidamente y haciendo que la distribución del tejido sea más uniforme; La aplicación de vibración ultrasónica durante el proceso de solidificación puede romper las dendritas en crecimiento y dispersarlas en varias partes de la masa fundida para formar pequeños núcleos distribuidos uniformemente. La vibración ultrasónica también puede facilitar que el líquido reponga los poros entre las dendritas, lo que es beneficioso para reducir las cavidades de contracción y eliminar parcialmente la fuente de tensión de tracción, reduciendo así las grietas en la capa de refundición. Los efectos de cavitación y agitación de las ondas ultrasónicas en el baño de masa fundida pueden hacer que la temperatura del baño de masa fundida sea uniforme, mejorar el estado de solidificación del baño de masa fundida y reducir la tensión térmica residual y la sensibilidad al agrietamiento.

5.3 Recubrimiento de gradiente compuesto
Mientras que la tecnología de modificación de superficie con un solo láser se está desarrollando, la tecnología de modificación de superficie con láser compuesto que integra dos o más tecnologías de modificación de superficie se ha desarrollado rápidamente. La tecnología de modificación de superficie con láser compuesto no solo puede mejorar las propiedades de superficie de las aleaciones de titanio, sino que también mejora la morfología de la superficie de la capa modificada y reduce la generación de grietas. Golbeeiwski M et al. preparó un recubrimiento de gradiente compuesto que contiene TiN y Ti2N sobre un sustrato de aleación de titanio mediante nitruración por plasma luminiscente y refundición láser, lo que mejoró en gran medida las propiedades de superficie de la aleación de titanio. Yilbas BS, et al. depositó TiN sobre aleación de titanio nitrurada por láser utilizando tecnología PVD y descubrió que la resistencia de unión y la resistencia al corte de la capa de película de TiN formada con el sustrato de titanio mejoraron significativamente en comparación con la capa de película preparada solo con tecnología PVD.

5.4 Características estructurales de los recubrimientos cerámicos nanocompuestos proyectados con plasma
Debido a la estructura especial de los nanomateriales, estos poseen excelentes propiedades que son difíciles de obtener en materiales generales, lo que proporciona condiciones favorables para mejorar el rendimiento de las capas de modificación de la superficie por láser de aleación de titanio. La combinación de nanopolvos con tecnología de modificación de la superficie por láser para preparar una capa de modificación de la superficie compuesta que contiene nanoestructuras en la superficie de las aleaciones de titanio puede cambiar las propiedades mecánicas, físicas y químicas de la superficie de la aleación de titanio, otorgarle a la superficie de la aleación de titanio nuevas funciones y lograr el propósito de combinar la modificación de la superficie del material con la funcionalización.

La modificación de la superficie por láser es una tecnología ideal para el tratamiento de la superficie de las aleaciones de titanio, que ha atraído una gran atención de todos los países, especialmente el amplio uso de las aleaciones de titanio en los campos militar, aeroespacial, automotriz, médico y otros, lo que ha hecho que el trabajo de investigación y desarrollo en este campo sea más preocupante. En comparación con la investigación sobre la tecnología de modificación de la superficie por láser de aleación de titanio en el extranjero, la investigación teórica y experimental relevante en China comenzó tarde y todavía hay pocas aplicaciones prácticas. Existe una gran brecha en equipos, procesos, materiales e investigación básica. Para expandir aún más el desarrollo de las aplicaciones de aleación de titanio, es urgente realizar investigaciones sobre la tecnología de modificación de la superficie por láser de aleación de titanio.