Методическая статья

Стандартизированный протокол лазерного металлического осаждения для трибологической оценки керамически модифицированных матричных композитов TI6AL4В

126 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70083

⸱

29 мая 2026 г.

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, 2Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Cape Peninsula University of Technology

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол стандартизирует лазерное металлическое осаждение для изготовления керамически модифицированных матричных композитов TI6Al 4V, усиленных B₄C и BN. Он интегрирует контролируемое осаждение, микроструктурную характеристику, тестирование на твёрдость и оценку износа сухого скольжения, чтобы систематически сопоставить входящую энергию лазера с удержанием арматуры и трибологической эффективностью.

Аннотация

Этот протокол описывает метод лазерного металлического осаждения для создания модифицированных матричных композитов титана-6алюминия-4ванадия (TI 6Al4V), усиленных карбидом бора и нитридом бора для повышения твёрдости и износостойкости. Подход предполагает стимулирование формирования фазы in situ при сохранении частично нерасплавленных керамических частиц для эффективного усиления. Процесс интегрирует контролируемое взаимодействие лазера и материала для проведения химических реакций и сохранения керамических фаз в титановой матрице. Композитная обработка осуществляется с помощью системы лазерного осаджения (LMD) с направленным энергетическим осаджением (DED) с коаксиальным механизмом подачи порошка для равномерной подачи порошка и повышения стабильности расплавленного бассейна. Этот метод позволяет осуществлять индивидуальную микроструктурную эволюцию через реакционное усиление и усиление частиц. В отличие от традиционных методов поверхностной инженерии, этот метод предлагает металлургическое соединение, контроль состава во время осаждения и микроструктурную манипуляцию с помощью регулировки входной энергии. Композитные слои производились при мощности 1400 Вт и 2000 Вт с постоянной скоростью сканирования и скоростью подачи порошка. Тесты на микротвёрдость (HV 0,5) и ASTM G99 при сухом скольжении проводились при нагрузках 15 N и 25 N. Образцы при 1400 Вт демонстрировали более высокую среднюю твёрдость и меньший объём износа, чем те, что были получены при 2000 Вт. Протокол устанавливает стандартный систематический подход к корреляции плотности энергии лазера с удержанием арматуры, развитием микроструктуры и трибологической эффективностью.

Введение

Аддитивное производство — это мощный метод создания титановых сплавов и композитов с индивидуальными микроструктурами и механическимисвойствами 1,2. Лазерное металлическое осаждение (LMD) и селективное лазерное металлическое осаждение (SLMD) — это процессы направленного энергетического осаждения, которые позволяют точно доставлять металлические или композитные порошки в лазерно-генерируемый бассейн для слойного производства и соединения с подложкой. Титан–6алюминий–4Ванадий (TI 6Al4V) остаётся одним из самых широко используемых титановых сплавов в аэрокосмической, биомедицинской и промышленной сфере благодаря высокой удельной прочности, коррозионно-стойкости и биосовместимости3–5. Однако, несмотря на благоприятные объёмные механические свойства, TI6Al4V демонстрирует умеренную твёрдость и относительно низкую износостойкость при скользящем контакте 6,7.

Предыдущие исследования с использованием лазерного металлического осаждения и связанных с ними процессов направленного осаджения показали, что параметры лазерной обработки сильно влияют на микроструктуру, фазовое формирование и механическоеповедение 8,9. Также применялись методы поверхностной инженерии, включая лазерную обработкуповерхностей 10, нитридирование, покрытия и традиционное лазерноепокрытие 11, 12, 13, 14, 15, 16, для повышения твёрдости поверхности и износостойкости. Однако обработка на основе диффузии обычно даёт тонкие, модифицированные слои с ограниченной несущей способностью, тогда как механически склеенные покрытия могут быть подвержены трещинам или деламинации при высоких контактных напряжениях. Кроме того, многие исследования лазерной обработки отмечают улучшение твёрдости или износа без предоставления детальных процедурных рекомендаций, связывающих параметры лазера с удержанием усиления, фазовой эволюцией и трибологической реакцией. Эти ограничения ограничивают его использование в деталях, подвергающихся сильному трению, повторяющимся контактным нагрузкам или абразивнымусловиям 17.

LMD обладает преимуществами по сравнению с системами с порошковым слоем, такими как гибкость состава сырья, локализованное дополнение арматуры и управление энергией в реальном времени, что делает его идеальным для создания функционально модифицированных поверхностей и металлических матричныхкомпозитов 18, 19, 20, 21, 22, 23. Рисунок 1 иллюстрирует обзор процесса лазерного металлического осаждения (LMD), показывающий подачу коаксиального порошка, формирование плавовых бассейнов, зону облицовки, зону синтеза и зону воздействия тепла с 50% перекрывающимися дорожками. Протокол, представленный здесь, устраняет этот пробел, предоставляя воспроизводимый метод изготовления модифицированных титановых матричных композитов с использованием лазерного металлического осаждения и систематически корреляции входной энергии лазера с развитием микроструктуры и поведением износа. Рабочий процесс включает подготовку порошка, лазерное осаждение, микроструктурную характеристику, тестирование твёрдости и трибологическую оценку. Контролируя мощность лазера во время осаждения, метод позволяет корректировать динамику расплавления, разбавление, арматурное разложение и формирование фазы in situ, что вместе влияет на твёрдость и износ. Рисунок 2 иллюстрирует доминирующие механизмы износа, обычно наблюдаемые в монолитныхTI 6Al4V, что даёт контекст для оценки усиленных систем.

Модифицированные стратегии усиления показали перспективы для улучшения механических и трибологических свойств титановых сплавов путём комбинирования нескольких керамических фаз23, 24, 25. В этом протоколе при лазерном осаживании металла используются карбид бора (B₄C) и нитрид бора (BN). Карбид бора обеспечивает высокую внутреннюю твёрдость и способствует образованию карбида титана (TiC) in situ при лазерной обработке, тогда как нитрид бора способствует образованию нитрида титана (TiN) и может создавать эффект смазки твердоговещества при скольжении 26,27,28. По сравнению с нитрированием и традиционными покрытиями, современный лазерный подход обеспечивает металлически связанный армированный слой, а не диффузионно ограниченную или механически приклеенную поверхностную пленку. В отличие от традиционных процессов облицовки, включение арматуры и формирование фазы происходят на месте и могут быть напрямую регулированы мощностью лазера, что позволяет систематически оценивать микроструктурную эволюцию и трибологическуюреакцию 28,29. Выбор мощности лазера особенно важен, так как он регулирует температуру плавового бассейна, растворение арматуры, образование пористости и развитие остаточныхнапряжений 30,31. Одновременное внедрение этих арматур позволяет совмещать модификацию по укреплению и трению в отложенном композитномслое 32,33,34.

Общая цель этого протокола — дать исследователям и промышленности возможность изготавливать модифицированные матричные композиты TI6Al 4В с использованием лазерного металлического осаждения и количественно оценивать, как контролируемые вариации мощности лазера влияют на микроструктуру, твёрдость и поведение износа. Этот метод подходит для исследователей, стремящихся улучшить поверхностные характеристики титановых сплавов для аэрокосмических компонентов, биомедицинских имплантов и высоконагрузочных скользящих систем, требующих повышенной твёрдости и износостойкости.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка материалов (Таблица материалов)

  1. Подготовьте субстратыTI 6ALна 4В
    1. Резьте пластиныTI 6Al 4V до размеров 102 мм × 102 мм × 7 мм с помощью прецизионной абразивной резки.
    2. Последовательно шлифуйте поверхности подложки с помощью бумаги из карбида кремния (SiC) зернистостью 240, 400, 600 и 800 под проточной водой, чтобы удалить оксиды и следы обработки.
    3. Пескоструйная обработка поверхностей с использованием частиц глинозёма 120 мкм при 0,4 МПа в течение 60 секунд для увеличения шероховатости поверхности.
    4. Очистите подложки ацетоном в течение 10 минут с помощью ультразвуковой перемешивания.
    5. Сушите субстраты с помощью сжатого воздуха.
    6. Чистые субстраты храните в десикаторе до отложения.
  2. Приготовьте гибридный композитный порошок (стратегия подачи трёх порошков)
    1. Взвешивайте газовый порошокTI 6Al 4V (15–53 мкм), порошок карбида бора (B₄C) (5–20 мкм) и шестиугольный порошок нитрида бора (BN) (1–10 мкм) в соответствии с желаемой долей веса.
    2. Подключите систему подачи с третьим бункером .
    3. Загрузите смешанный композитный порошок в систему подачи с тремя бункерами .
    4. Установите общую скорость подачи порошка на 10 г/мин для осадки.

2. Изготовление композита с использованием лазерного металлического осаждения

ВНИМАНИЕ: Лазерное осаждение металла использует высокомощное лазерное излучение и расплавленный металл. Операторы должны носить лазерные защитные очки и защитную одежду. Работайте в контролируемой среде с правильной вентиляцией.

  1. Настройте лазерную систему осадки металла
    1. Используйте систему лазерного металлического осаждения (LMD), оснащённую мощным волоконным лазером и соплом для подачи коаксиального порошка.
    2. Надёжно закрепите подкладку TI6Al 4V на платформу для сборки.
    3. Установите экранирование от аргона при 15 л/мин, чтобы предотвратить окисление во время обработки.
    4. Установить диаметр лазерного пятна на 2,5 мм.
    5. Установите скорость сканирования на 1,0 м/мин.
  2. Композитный слой месторождений
    1. Установите мощность лазера на 1400 Вт.
    2. Подавайте композитный порошок со скоростью 10 г/мин через трёхбункерные коаксиальные подающие устройства.
    3. Нанесите слой облицовки с 50% перекрытием между дорожками.
    4. Поддерживайте постоянное расстояние и равномерный поток порошка на протяжении всего осаждения.
    5. Дайте отложенным образцам естественным образом остыть до комнатной температуры под непрерывным экранированием аргоном.

3. Подготовить металлографические образцы

ВНИМАНИЕ: Фторная кислота (HF) является высококоррозионной и токсичной, и все отходы, содержащие HF, должны быть нейтрализованы и утилизированы в соответствии с институциональными протоколами по опасной химической безопасности.

  1. Проводите все процедуры травления внутри сертифицированного вытяжного контейнера с химическим дымом.
    1. Во время обращения носите кислотостойкие перчатки, защитный щиток и лабораторный халат.
    2. Погрузите отполированный образец в реагент на 10–15 секунд.
    3. Сразу прополосните дистиллированной водой.
    4. Сушите с помощью тёплого воздуха.
  2. Образцы сечений и крепления
    1. Разрезать изготовленные образцы перпендикулярно направлению облицовки с помощью прецизионного резака.
    2. Закрепите секции в проводящей монтажной смоле.
  3. Шлифовка и полировка образцов
    1. Шлифуйте смонтированные образцы последовательно, используя бумаги SiC с зернистостью 240, 400, 600, 800 и 1200.
    2. Полируют образцы с помощью алмазных суспензий диаметром 6 мкм, 3 мкм и 1 мкм.
    3. Полосните отполированные образцы этанолом.
    4. Сушите образцы тёплым воздухом.
  4. Сэмплы гравировки
    1. Приготовьте реагент Кролла, смешивая 2 мл плавиры, 6 мл азотной кислоты и 92 мл дистиллированной воды.

4. Проведение микроструктурной и фазовой характеристики

  1. Проведите оптическую микроскопию.
    1. Осмотрите травлённые образцы с помощью оптического микроскопа.
    2. Определите зону облицовки, зону термоядерного синтеза и зону, воздействованную теплом.
  2. Проведите сканирующей электронной микроскопии (SEM)
    1. Работа сканирующего электронного микроскопа при ускоряющемся напряжении 15–20 кВ.
    2. Анализировать распределение арматуры, межфазные связи и микроструктурные особенности.
  3. Проводите рентгеновскую дифракцию (XRD)
    1. Выполните XRD с использованием излучения Cu-Kα (λ = 1,5406 Å).
    2. Сканирование в диапазоне 2θ от 20° до 90° с размером шага 0,02°.
    3. Определите фазы с помощью стандартных дифракционных баз данных.

5. Измерить микротвёрдость

  1. Откалибруйте микротвёрдость Vickers перед тестированием.
  2. Проведите тест на твёрдость Vickers с нагрузкой 500 g, приложенной в течение 15 секунд. Измеряйте в пяти равноудалённых точках поперечного сечения облицовки.
  3. Выполните как минимум пять вмятиний вдоль центральной линии облицовки.
  4. Поддерживайте минимальное расстояние между соседними отступами в три раза выше диагонали.
  5. Рассчитайте и сообщите среднее значение твёрдости.

6. Проведите тестирование износа на сухом скольжении

  1. Используйте возвратный трибометр с шаром на диске.
  2. Выберите корпус из карбида вольфрама диаметром 6 мм.
  3. Приложите обычную нагрузку 15 N.
  4. Установите скорость скольжения на 0,1 м/с.
  5. Поддерживайте радиус износа 5 мм.
  6. Проведите тест на общий сдвиг 1000 м в сухих условиях при комнатной температуре.
  7. Фиксируйте коэффициент трения непрерывно во время испытаний.
  8. Измеряйте размеры износа трассы с помощью SEM и поверхностной профилометрии.
  9. Рассчитывайте объём износа и скорость износа с помощью геометрических соотношений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Микроструктурная характеристика
Лазерное осаждение металла дало непрерывные слои облицовки, металлургически скреплённые с подложками TI6Al 4В при мощности 1400 Вт и 2000 Вт. На рисунке 3 показана представительная микрофотография SEM гибридного композита TI6Al 4V+ B₄C + BN, изготовленного при мощности 2000 Вт. Были обнаружены отдельные зоны облицовки, сплавления и теплового воздействия (HAZ). HAZ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Этот протокол демонстрирует влияние лазерной мощности на микроструктуру, фазообразование, твёрдость и износ в модифицированных композитах TI 6Al 4В, усиленных карбидом бора и нитридом бора. Образец, изготовленный при мощности 1400 Вт, демонстрировал среднюю твёрдость 572,0 ± SDHV 0,5 (n = 5), по сравнению с 538,2 ± SDHV 0,5 (n = 5) при 2000 Вт, что соответствует примерно 6% увеличению твёрдости при меньшей мощности лазера. Оба усиленных покрыти...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликтов интересов, связанных с этой работой, и они не использовали никакой инструмент для написания ИИ.

Благодарности

Авторы с благодарностью выражают поддержку Технологического университета Дурбана.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Сплав Ti-6Al-4V (подложка)Ti– 6 веса % Ал-ндаш; 4 массы VПластина (102 и раза; 102 раза; 7 мм)Основная подложка для лазерного металлического осаждения
Порох Ti-6Al-4VГазоатомизированный Ti– 6Al– 4V15– 53 и микро; M-порошокМатричный материал для композитной облицовки
Карбид бора (B4C)B4C керамика5– 20 & микро; M-порошокОсновное жёсткое подкрепление; повышает твёрдость и износостойкость
Шестиугольный нитрид бора (BN)h-BN керамика1– 10 & микро; M-порошокВторичное усиление; Очищение зерна и уменьшение износа
Композитная порошковая смесь3,8 масс.% Ti-6Al-4V + 0,1 масс.% B<суб>4C + 0,1 масс.% BNОднородно смешанный порошокСырье для гибридного матричного композита TI6Al4V
Экранирование / носительный газАргон (чистота 99,99%)ГазПредотвращает окисление во время лазерного осаждения
Материал контркузоваКарбид вольфрама (WC)Шар диаметром 6 ммКонтрлицо для тестов износа на сухом скольжении
Абразивные носителиКарбид кремния (SiC)240– Бумаги с зерном 1200Шлифовка и подготовка поверхности
Пескоструйная средаAlumina (Al2O3)~120 и микро; m частицПоверхностное огрубление перед осадкой
Агент управления процессамиЭтанолЖидкостьПредотвращает агломерацию порошка во время шарового помола
ЭтчантКролл» s Реагент (HF + HNO3 + H2O)Химический растворРаскрывает микроструктуру для металлографического анализа

Ссылки

  1. Shi, Y., Gong, S., Xu, H., Wang, Z., Yang, G., et al. Alloying strategies for additive manufacturing of Ti-6Al-4V-based alloys, composites, and functionally graded materials: microstructure and phase evolution of intra- and inter-layer. J. Mater. Res. Technol. 27, 6225-6263 (2023).
  2. Aufa, A. N., Hassan, M. Z., Ismail, Z., Ramlie, F., Jamaludin, K. R., et al. Current trends in additive manufacturing of selective laser melting for biomedical implant applications. J. Mater. Res. Technol. 31, 213-243 (2024).
  3. Zhang, L. C., Attar, H. Selective laser melting of titanium alloys and titanium matrix composites for biomedical applications: a review. Adv. Eng. Mater. 18 (4), 463-475 (2016).
  4. Dasgupta, S., Singh, Y. P. Additive manufacturing techniques used for preparation of scaffolds in bone repair and regeneration. Adv. Addit. Manuf. Artif. Intell. Nature-Inspired Biomanuf. , 103-127 (2023).
  5. Marin, E., Lanzutti, A. Biomedical applications of titanium alloys: A comprehensive review. Materials. 17 (1), 114(2024).
  6. Revankar, G. D., Shetty, R., Rao, S. S., Gaitonde, V. N. Wear resistance enhancement of titanium alloy (Ti-6Al-4V) by ball burnishing process. J. Mater. Res. Technol. 6 (1), 13-32 (2017).
  7. Ramezani, M., Ripin, Z. M., Pasang, T., Jiang, C. P. Surface engineering of metals: Techniques, characterizations, and applications. Metals. 13 (7), 1299(2023).
  8. Rafi, H. K., Nadimpalli, K., Gong, H., Starr, T. L. Microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting. J. Mater. Eng. Perform. 22 (12), 3872-3883 (2013).
  9. Luo, Y., Wang, M., Zhu, J., Tu, J., Jiao, S. Microstructure and corrosion resistance of Ti-6Al-4V manufactured by laser powder bed fusion. Metals. 13 (3), 496(2023).
  10. Das, B., Srivastava, S. K., Manna, I., Majumdar, J. D. Mechanically tailored surface of titanium-based alloy (Ti-6Al-4V) by laser surface treatment. Surf. Coat. Technol. 479, 130560(2024).
  11. Eryilmaz, O. L., Blau, P. J. Surface engineering to improve the durability and lubricity of Ti-6Al-4V alloy. Wear. 271 (9-10), 2006-2015 (2011).
  12. Xi, F., Zhang, X., Jiang, X., Kang, Y., Wen, X., et al. Growth mechanism of oxide layer on Ti-6Al-4V substrate with different surface topographies during early-stage micro-arc oxidation. Surf. Coat. Technol. 467, 129685(2023).
  13. Liu, G., Liang, B., Ding, Z. Effect of oxidation temperature on surface oxide film structure and corrosion resistance of 50 steel. Heliyon. 10 (22), e40499(2024).
  14. Badea, L., Surand, M., Ruau, J., Viguier, B. Creep behavior of Ti-6Al-4V from 450 °C to 600 °C. 2015. HAL Open Archive. , (2015).
  15. Ganesan, K., Rao, S. R. K., Rao, T. S., Rohit, V. Corrosion-assisted fatigue crack growth behaviour of AA 7075-T651 friction stir welded joints. Def. Technol. 51, 80-96 (2025).
  16. Feng, M., Ma, Y., Tian, Y., Cao, H. Microstructure and wear resistance of Ti-6Al-4V titanium alloy laser-clad Ni60/WC composite coating. Materials. 17 (1), 264(2024).
  17. Isaka, M., Takebe, H., Kawakami, A., Takahashi, K. Applications of titanium for the automotive sector. Nippon Steel Tech. Rep. 128, 1-9 (2022).
  18. Alparslan, C., Yentimur, M. F., Kütük-Sert, T., Bayraktar, ş Additive manufactured engineering materials for enhanced road safety and transportation applications. Polymers. 17 (7), 877(2025).
  19. Jian, S., Wang, J., Xu, D., Ma, R., Huang, C., et al. Gradient microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V fabricated by high-frequency induction quenching. Mater. Des. 222, 111031(2022).
  20. Hoque, M. A., Yao, C. -W., Khanal, M. Tribocorrosion behavior of micro/nanoscale surface coatings. Sensors. 22 (24), 9974(2022).
  21. Zhang, M., Zhu, C., Zhao, X., Huang, Y., Wang, S. Oil-lubricated fretting wear behavior of Ti-6Al-4V alloy affected by micro-shot peening. Wear. 548–549, 205386(2024).
  22. Rundora, N. R., Klenam, D. E. P., Polat, S., Mathabathe, N. M., van der Merwe, J., et al. Dry sliding wear behavior of experimental low-cost titanium alloys. Tribol. Trans. 67 (3), 1-12 (2024).
  23. Zhang, B., Zhang, F., Saba, F., Shang, C. Graphene–TiC hybrid reinforced titanium matrix composites with 3D network architecture. J. Alloys Compd. 859, 157777(2021).
  24. Han, W., Xu, D., Min, J., Guo, Y., Dai, G., et al. Influence of WC particle size on microstructural evolution and wear behavior of laser-cladded WC/Ti-6Al-4V coatings. Ceram. Int. 51 (25), 47119-47131 (2025).
  25. Kim, K. Y., Kim, J. H., Yun, D. W., Narayana, P. L., Kim, J. H., et al. Enhancing mechanical properties and corrosion resistance of commercially pure titanium using tungsten carbide composites fabricated via additive manufacturing. J. Mater. Res. Technol. 27, 5070-5081 (2023).
  26. Kim, K., Kang, N., Kang, M., Kim, C. Assessment of heat-affected zone softening of hot-press-formed steel over 2.0 GPa tensile strength with bead-on-plate laser welding. Appl. Sci. 11, 5774(2021).
  27. Fouvry, S., Arnaud, P., Mignot, P., Neubauer, A. Contact size, frequency, and cyclic normal force effects on Ti-6Al-4V fretting wear processes. Tribol. Int. 113, 460-473 (2017).
  28. Chen, Q., Zhang, J., Huang, A., Wei, P. Wear resistance of Ti-6Al-4V alloy composite coating prepared by laser alloying. Appl. Sci. 11 (1), 446(2021).
  29. Weng, F., Yu, H., Chen, C., Liu, J., Zhao, L., et al. Effects of process parameters on microstructure evolution and wear properties of laser cladding coatings on Ti-6Al-4V alloy. J. Alloys Compd. 692, 989-996 (2017).
  30. Sola, A., Nouri, A. Microstructural porosity in additive manufacturing: Formation and detection of pores in powder bed fusion metals. Adv. Mater. Process. 2, e10021(2019).
  31. Ochonogor, O. F. Development of Ti-6Al-4V-based metal matrix hybrid composites using laser metal deposition. [PhD Thesis]. 2018, University of Johannesburg. (2018).
  32. Reza, M., Levine, A. T., Xie, M., Wood, B. E., Young, M. T., et al. Tungsten tetraboride: An inexpensive superhard material. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (27), 10958-10962 (2011).
  33. Silva, S. N. M., Silva, A. L. D., Almeida, M. G., Barbosa, G. S. Cubic boron nitride competing with diamond as a superhard engineering material: An overview. J. Mater. Res. Technol. 2 (1), 68-74 (2013).
  34. Ménard, C. M. Microstructure model for Ti-6Al-4V used in simulation of additive manufacturing. [PhD Thesis]. , Luleå University of Technology. (2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Видео скоро будет доступно

Похожие статьи