硬化および強靭化効果により、積層造形されたTiベースの異種複合コーティングの耐摩耗性と耐腐食性を相乗的に改善

第一著者: 張宏偉連絡先著者: 崔洪志連絡先部署: 中国海洋大学
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.027

レーザー直接エネルギー堆積技術により、TC4 チタン合金の表面に Ti ベースの複合コーティングを作成しました。 βマトリックス（Cuリッチな軟質相とMoリッチな硬質相）上に、新しい多層強化相（マイクロメートルサイズのTiN相とナノメートルサイズのTiB相）が形成されます。 Q値の高い銅元素の含有量が増えると、粒子は明らかに微細化されます。 Mo元素の固溶強化とTiN相の形成により、複合コーティングの微小硬度が向上します。同時に、結晶粒の微細化、高密度転位、ナノ TiB 相の複合効果により、複合コーティングの破壊靭性が大幅に向上します。コーティング硬度と靭性の相乗的向上により、摩耗面のチタン・モリブデン・銅複合酸化物膜の形成が促進され、TC4に比べて耐摩耗性・耐腐食性が7倍以上向上します。

背景海洋石油掘削に使用されるチタン合金ドリルパイプは、腐食と摩耗（摩耗腐食とも呼ばれる）の二重の影響により損傷したり廃棄されたりします。ドリルパイプを新しいものに交換すると、材料、時間、費用が消費されるだけでなく、チタン合金ドリルパイプの摩擦腐食の問題を根本的に解決することはできません。しかし、従来の材料の耐摩耗性と耐腐食性は矛盾しています。硬度の高いセラミック相は脆い傾向を示すことが多く、引張または摩耗中に亀裂の発生と伝播を加速し、それによって材料の脆さと腐食を悪化させます。したがって、材料の摩擦抵抗と耐腐食性を向上させ、機器の信頼性の高い動作を確保するには、複合コーティングの硬度と靭性を同時に考慮する必要があります。

この記事のハイライト

複合コーティングの凝固中の微細構造の進化の熱力学的および運動学的プロセスをまとめます。

複合コーティング内のさまざまな相の硬化および強化のメカニズムを研究しました。

不均質構造と摩擦腐食挙動の関係を分析した。

本論文では、Mo、Cu、BN粉末を使用し、レーザー直接エネルギー堆積技術によって、多層沈殿相と精製β結晶を備えた複合コーティングを調製しました。

図1 粉末原料図：（a）Ti64、（b）Mo、（c）Cu、（d）BN、および（e）混合12Cu粉末のEDS結果、（f）LDED製造プロセスの概略図、（g）サンプル処理の概略図。
Cu元素の増加に伴い、コーティングの粒径は10μmから2μmに減少します。さらに注目すべきは、TiN 相の方向が本質的に変化しないことです。同時に、複合コーティングの組織強度が大幅に低下し、複合コーティングの高角粒界 (HAGB) が 16.9% から 32.1% に増加します。

図2 4Cu、8Cu、12Cu、16Cu複合コーティングのEBSD分析：（ad）逆極点図（IPF）と状態図、（eh）β相とTiN相のPF、（i - 1）粒界図。
図3 12Cu複合コーティングのTEM結果：（a）明視野像と対応するEDS結果、（bd）Moリッチ相とCuリッチ相の明視野像と対応する選択領域電子回折パターン、（eh）TiN相とTiB相の明視野像、対応する選択領域電子回折パターン、および元素スペクトル線分布結果。
Cu含有量の増加に伴い、コーティングの硬度は徐々に増加します。コーティング強度が615MPaに達し、可塑性が14.5%の場合、破壊靭性は8.37MPa·m1/2のままです。

図4 (a) コーティング深さによる微小硬度の変化、(b) 12Cu複合コーティングのナノインデンテーション形態、(c) 深さと荷重の関係、(d) 硬度とEr。
図5 コーティングの代表的な領域の圧痕形態: (a) 4Cu、(b) 8Cu、(c) 12Cu、(d) 16Cu。
図6 異なる条件下でのLDED複合コーティングの電気化学試験曲線と対応するCOF値：（a）OCP、（b）0.2VOCPでの定電位分極、（c）動的電位分極、（d）摩耗前、摩耗中、摩耗後のOCP値、（e）不動態化電流密度、（f）さまざまな条件下でのCOF値。
図 7 Matlab を使用して取得した銅含有量、電位、摩耗量の関係を示すクラウド図。
元素添加後の凝固中の複合コーティングの微細構造の進化が明らかになりました。多段階析出強化と結晶粒微細化が合金の微小硬度と靭性に及ぼす影響を研究し、摩耗腐食プロセスにおけるマルチスケール析出物（TiN + TiB）と微細化された等軸β結晶粒（Moに富む相とCuに富む相）の役割を詳細に議論しました。 Q 値の高い Cu 含有量の増加に伴い、LDED 複合コーティングの靭性が向上します。これは主に、粒径の微細化、ナノ TiB 相の析出強化、および転位密度の増加によるものです。耐摩耗性と耐腐食性のメカニズムには、微小硬度の向上、靭性の向上、緻密な複合酸化物膜の形成が含まれます。

図 8 は、銅に関連したより大きな ΔT0 を持つ CS 領域を示しています: (a、c) 4Cu 複合コーティング、(b、d) 12Cu 複合コーティング。図9 異なるCu含有量のLDED複合コーティングの摩擦腐食メカニズム（a）4Cu、（b）12Cu。
要約と展望<br /> 凝固プロセスでは、TiN 相と TiB 相が優先的に析出し、過剰な B 元素が β 相の核生成の駆動力となります。その後、Mo元素の作用によりβ相が核生成して成長し、凝固前面でより多くのCuが絞り出されます。 β 相の核形成プロセス中に、Cu の偏析により CS ゾーンが拡大し、β 粒子が微細化されます。

Mo 元素の固溶強化とミクロン TiN 相の形成により、複合コーティングの微小硬度は TC4 の 2 倍以上になります。同時に、結晶粒の微細化、ナノ TiB 相、および多数の転位により、コーティングの亀裂成長耐性が向上します。

摩擦腐食プロセス中、TiN 相と Mo に富む相が補助的な役割を果たします。 Cu含有量が増加すると、Cuに富む軟質相の増加により、Moに富む相の脆性破壊が減少します。同時に、繰り返し摩擦することでチタン・モリブデン・銅の複合酸化物皮膜が形成され、コーティングの耐摩耗性・耐腐食性が相乗的に向上します。

チームについて<br /> 中国海洋大学竹風人材プログラムの第一級名誉教授である崔洪志氏が率いる極限環境材料チームには現在、15人の教員と90人を超えるポスドク研究員、博士課程の学生、修士課程の学生が所属している。 Laoshan Laboratory、海洋工学機器の基礎科学センター、海洋材料の工学研究センター教育省の保護技術、海洋機器およびBinhaiテスト分野の特別材料のためのShandong Engineering Research Centerに頼って、チームは海洋、鉄道、風力、軍事産業、摩耗、耐摩耗性材料、耐摩耗性材料、耐食性材料、耐摩耗性材料などの極端な環境機器の研究にコミットしています損害評価は、2019年に国立863計画、国際的な資金、「5年目の計画」の主要な建設プロジェクト、主要なエンジニアリングプロジェクトを含む30以上のプロジェクトを継続的に実施しました。 0発明特許、5つのソフトウェア著作権、3つのモノグラフを公開しました。彼は、2023年と2021年に中国工程院化学工学・冶金・材料部門の院士に選出される有効な候補者です。チームは材料設計、調製技術開発からエンジニアリング応用まで、フルチェーンの研究開発能力を形成しています。開発された材料と技術は、海洋プラットフォーム、掘削および生産設備、大型石炭機械、内燃機関、鉄道輸送、航空機器、造船などの重要な分野とコンポーネントに推進され、適用されています。

極限環境材料チームのウェブサイトリンク: https://www.x-mol.com/groups/cui_hongzhi

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