鈦合金材料不僅質(zhì)量輕，而且其綜合力學(xué)性能好、耐蝕性能強(qiáng)，可作為飛機(jī)起落架、機(jī)匣等零部件的原材料。但是鈦合金普遍硬度低，在使用過程中容易產(chǎn)生粘著磨損、磨粒磨損等，限制了其使用范圍和發(fā)展。激光熔覆技術(shù)是改善鈦合金材料表面性能的先進(jìn)制造技術(shù)之一，相對電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍等傳統(tǒng)工藝有著很多的優(yōu)勢。通過同步送粉或預(yù)置熔 覆材料的方式，利用激光束的瞬間加熱功能，熔覆材料和基體合金表面薄層達(dá)到金屬熔點(diǎn)以上，迅速熔化發(fā)生冶金結(jié)合，又快速凝固制備出一層較薄的高強(qiáng)度涂層，來達(dá)到表面改性的目的[1]。利用熔覆技術(shù)不僅可以制備高強(qiáng)度防護(hù)涂層，還可以實(shí)現(xiàn)各類金屬零件的制造、修復(fù)和連接[2]。
一、鈦合金表面激光熔覆涂層材料
（一）陶瓷材料涂層
通過激光束的瞬間加熱功能在鈦合金表面制備出較薄的陶瓷涂層，可以達(dá)到冶金連接的效果。陶瓷材料本身硬度高，涂層組織穩(wěn)定、與基材結(jié)合性好，涂層不僅表面硬度高，其耐磨性和抗高溫性能相對基體材料有明顯的優(yōu)勢，對鈦合金材料起到了非常好的保護(hù)作用[3]。劉均環(huán)[4]利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備了生物陶瓷涂層，并對熔覆層進(jìn)行了熱處理。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為0.9 kW、掃描速度為14mm/s 時，涂層性能較好；在熔覆層中添加3wt.%的CaB6 可顯著提高涂層表面硬度，相對基體鈦合金材料可提高大約2.8 倍，而且耐腐蝕性能得到了大幅度提升。當(dāng)CaB6 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到5wt.%時，涂層中部顯微組織由雜亂無序樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)槌室?guī)則排列的樹枝晶。后期又對該試樣涂層進(jìn)行了700℃保溫3h 的熱處理，但導(dǎo)致了熔覆層裂紋的產(chǎn)生。究其原因可能是熱處理導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力增大，從而產(chǎn)生出現(xiàn)縱向裂紋和孔洞，涂層脫落而失效。另一方面熱處理促使內(nèi)部枝晶組織變得粗大，而降低涂層的顯微硬度、耐腐蝕性和生物活性。
（二）復(fù)合材料涂層
陶瓷材料作為鈦合金表面熔覆材料雖然組織穩(wěn)定、硬度高、抗高溫性能好，但是一般陶瓷材料與鈦合金基體之間的潤濕性差，容易產(chǎn)生裂紋和孔洞等缺陷。復(fù)合涂層既保證了金屬材料良好的力學(xué)性能，又能展現(xiàn)出陶瓷材料突出的高硬度和高溫性能，日益受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5]。何斌鋒[6]采用同軸送粉方式在TC4 合金表面激光熔覆了NiCrAl+TiC復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)：熔覆層中存在TiC、NiTi2、Cr0.2Ti0.8C、VC 等金屬間化合物和陶瓷相，表面硬度得到大幅度提升，同時磨損率也明顯下降，耐磨性得到改善。當(dāng)TiC 粉末含量較少時，熔覆層中存在金屬間化合物和陶瓷相，但是TiC 磨損過程中產(chǎn)生磨粒磨損而部分脫落，耐磨性較差。當(dāng)TiC 含量逐漸增大時，在已生成的組織上面又形成了新的細(xì)小相NiTi2，同時還出現(xiàn)了多種陶瓷相，表現(xiàn)出良好的耐磨性。王阿敏[7]等采用激光熔覆技術(shù)在TC4 鈦合金表面預(yù)置混合粉末制備了復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)：熔覆層的主要相為TiB、TiB2、TiC 等硬質(zhì)陶瓷相和Ti-Al金屬間化合物，涂層硬度高、耐磨性好。當(dāng)預(yù)置粉中C 含量為5%時，涂層顯微組織中TiC 容易形核和生長，TiC 含量隨之增多，顆粒細(xì)小且分布均勻，同時板條狀組織略微減少。當(dāng)預(yù)置粉中C含量為8%時，由于C含量過多，較多的碳化物相互生長形成粗大的晶粒組織。不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)置粉末直接影響了涂層最終的性能，其中C 含量為5%時，可獲得綜合力學(xué)性能最好的涂層。
（三）涂層中添加增強(qiáng)相
稀土元素本身晶粒細(xì)小，經(jīng)常作為增強(qiáng)相來提高材料的性能。在激光熔覆制備涂層時添加適量稀土元素可以增加涂層韌性，也可以增加防止裂紋擴(kuò)展的阻力，有效阻礙裂紋生長和擴(kuò)展，裂紋的減少既能防止涂層脫落也可以提高涂層的耐腐蝕性。崔朋賀[8]等采用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備的復(fù)合涂層中添加了稀土元素，通過實(shí)驗研究認(rèn)為添加Y2O3可以減少涂層中的氣孔和雜質(zhì)等缺陷，同時起到了促進(jìn)形成增強(qiáng)相的作用。同時涂層與基體結(jié)合良好。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)１％的Y2O3時，增強(qiáng)相含量明顯增多而且發(fā)現(xiàn)組織得到細(xì)化，變得均勻細(xì)小，魚骨狀增強(qiáng)相轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，復(fù)合涂層的平均斷裂韌度大幅度提高。當(dāng)添加的Y2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，增強(qiáng)相TiC 呈類似花狀的組織，涂層的平均斷裂韌度 卻下降了很多。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3％ 的Y2O3 時，Y2O3沒有完全溶解，最終以大塊的白色夾雜存在與顯微組織中，涂層表面處的斷裂韌度有一定程度的提高，涂層中部的斷裂韌度卻很差。
二、不同激光參數(shù)對涂層表面組織及性能的影響
（一）激光功率
適當(dāng)?shù)募す夤β适菦Q定激光熔覆層性能的關(guān)鍵因素之一。激光功率太低時，熔覆層與基體的冶金結(jié)合效果較差，其力學(xué)性能就不是很好；當(dāng)激光功率過高時，部分熔覆粉末會瞬間“汽化”，涂層孔隙率超出其范圍，就很容易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重降低了熔覆層的使用性能。因此，在激光熔覆過程中，激光功率的大小越來越受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。
邱瑩[9]等在TC4 合金表面熔覆了Ti40 阻燃鈦合金涂層。研究了不同激光功率是否導(dǎo)致涂層的成分和硬度發(fā)生的變化。隨著激光功率的增大，熔覆層高度逐漸增加，表層的等軸晶層厚度也隨之增加，中部組織由軸柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹鶢罹А：毫羀10]等研究了激光功率對鈦合金表面激光熔覆層性能的影響。研究結(jié)果表明：在TC4 鈦合金基體中存在TiC、TiB、TiB2，熔覆層中還有未熔的B4C顆粒。激光功率越大，覆層表面越平滑，熔覆層存留的B4C顆粒越少，TiB數(shù)量越多、尺寸越大，涂層表面顯微硬度降低，耐磨性顯著增加。隨著激光功率的增大，基材和熔覆粉末同時吸收了較大的激光能量，受到高溫時間變長，B4C顆粒逐漸被分解，被分解的B4C顆粒與鈦合金生成TiC、TiB、TiB2。另一方面，激光功率越大，熔池保持高溫時間越長，過冷度降低導(dǎo)致形核率下降，這樣就增大了原位自生增強(qiáng)相的生長速度。
（二）掃描速度
適當(dāng)?shù)募す夤β适菦Q定鈦合金表面激光熔覆層性能的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)掃描速度過高時，激光能量沒有充足的時間作用于鈦合金，熔池存在時間減少，送粉粉末熔化率低，而且容易產(chǎn)生孔洞和裂紋等缺陷，熔覆層性能無法達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)掃描速度過低時，激光能量長時間作用于鈦合金表面，送粉粉末有可能會發(fā)生過燒現(xiàn)象，同時也會增加變形量。林沛玲[11]等在鈦合金表面預(yù)置Ti 和B 混合粉末，利用激光熔覆技術(shù)在不同的掃描速度下制備了復(fù)合熔覆層。認(rèn)為：熔覆層與基體結(jié)合良好，主要物相是Ti 和TiB；顯微組織中，TiB呈現(xiàn)顆粒狀，而Ti 為枝晶狀；掃描速度越大，熔覆層深度越低，但表面硬度卻越來越高，最高是基體硬度的1.5～2 倍。當(dāng)掃描速度為8mm/s 時，熔覆層的組織最為細(xì)小。林熙[12]等研究了掃描速度對TC4鈦合金表面激光熔覆層性能的影響。在TC4試樣表面預(yù)置一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TC4 與Ni 包B4C混合粉末，采用氬氣保護(hù)，調(diào)節(jié)3種不同的掃描速度，在試樣表面激光熔覆制備了復(fù)合涂層。認(rèn)為：激光掃描速度越大，涂層厚度越小，且寬度越小。當(dāng)掃描速度為8mm/s時，激光能量在試樣表面停留時間長，同時熔池存在時間相對較長，Ti原子又充足的時間與生成的TiB2反應(yīng)生成TiB。當(dāng)掃描速度增大時，熔池存在時間減少，Ti原子沒有來得及與TiB2反應(yīng)就已經(jīng)趨于凝固，所以，留存的TiB2逐漸增多，而TiB數(shù)量較少。3種不同掃描速度下制備的涂層其顯微硬度都很高，達(dá)到基體的2～3 倍，明顯增強(qiáng)了鈦合金表面硬度，其中掃描速度為8mm/s 時，熔覆層硬度達(dá)到最高值。
（三）后期熱處理
激光熔覆過程中，激光的高能量將基體與粉末快速熔化后又快速的凝固，涂層的內(nèi)部會產(chǎn)生很大的殘余內(nèi)應(yīng)力。如果不及時處理殘余內(nèi)應(yīng)力，涂層在使用過程中極易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重制約了涂層的使用壽命和使用范圍。對激光熔覆涂層進(jìn)行合適的熱處理有著極其重要的意義。一方面，通過低溫去應(yīng)力退火可以大幅度降低涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，可以防止裂紋的產(chǎn)生；另一方面，熱處理過程中，基體和涂層中的原子發(fā)生著高溫擴(kuò)散，原子間置換加劇，可以減少裂紋和提高熔覆層的塑性和韌性。
翟永杰[13]對TA2合金表面制備的激光熔覆涂層進(jìn)行了熱處理，分析對比了不同時長和溫度對熔覆層組織和性能的影響。首先在TA2 合金表面預(yù)置40%Ti-25.2%Ti C-34.8%WS2 復(fù)合粉末，利用激光熔覆技術(shù)制備了復(fù)合涂層試樣。經(jīng)實(shí)驗數(shù)據(jù)處理分析后認(rèn)為：經(jīng)過500℃高溫，時長1h 和2h 熱處理涂層相比于未熱處理涂層的顯微硬度有所提高，磨損機(jī)制 主要為磨粒磨損，表面較為光滑，摩擦系數(shù)和磨損率都有一定程度的下降，然而不同熱處理時長對熔覆層組織和性能的影響較小。當(dāng)熱處理1h，溫度為300℃時，涂層的組織與未熱處理涂層區(qū)別不大，耐磨性能沒有明顯提高，顯微硬度略有下降。熱處理溫度為500℃和700℃的涂層顯微組織發(fā)生了變化，熱處理溫度為700℃時涂層的顯微硬度和耐磨性達(dá) 到最高值。可見，合適的熱處理有助于改善鈦合金表面熔覆涂層的組織和性能。
三、外加物理場對涂層表面組織及性能的影響
（一）電磁場
外設(shè)電磁場應(yīng)用在激光熔覆技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個方面。首先，電磁場可以控制金屬液體的流動，改變了熔池形狀，促進(jìn)涂層與基體更好的結(jié)合，防止脫落。其次，電磁場可以改善金屬的凝固組織和性能，在涂層的凝固過程中，電磁場的攪拌與振動作用可以細(xì)化晶粒，以及提高涂層的綜合力學(xué)性能。
楊光[14]等研究了施加電磁場對熔池凝固過程的影響，對是否施加電磁場的TA15鈦合金表面激光熔覆過程進(jìn)行了三維磁-熱耦合數(shù)值模擬。認(rèn)為：電磁場的電磁攪拌作用于熔池形成和凝固過程中，加快了液態(tài)金屬的對流，增大了熔池的最大流速，加快了熔池的熱交換，實(shí)現(xiàn)了熔池溫度分布的均勻化，這樣就促進(jìn)了熔池頂部組織柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。試驗結(jié)果表明熔池頂部出現(xiàn)軸晶組織，隨著與電磁場中心距離的增加，等軸晶數(shù)量逐漸增多，而熔池底部和中部組織依然為柱狀晶。在沒有施加電磁場的情況下，涂層組織均為柱狀晶，并沒有生成等軸晶。同時發(fā)現(xiàn)電磁場的作用并沒有對熔池內(nèi)部柱狀晶的生長產(chǎn)生較大影響。
（二）超聲振動
在激光熔覆技術(shù)中，超聲振動作用在沉積時或沉積后，可以減小涂層內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力，防止生成粗大的柱狀晶，促進(jìn)等軸晶的生成，細(xì)化了涂層的組織，從而改善了激光熔覆涂層的性能。張安峰[15]等研究了施加超聲振動對激光熔覆沉積Ti6Al4V合金組織和性能的影響。通過實(shí)驗設(shè)備，超聲振動作用于熔融的金屬熔池中，金屬混合粉末在激光熔覆沉積和超聲振動中發(fā)生金屬結(jié)晶過程，制備出鈦合金試樣，后對該試樣進(jìn)行了固溶時效處理。Ti-Al 相圖如圖1 所示。研究發(fā)現(xiàn)：超聲振動的施加減小激光熔覆沉積Ti6Al4V 合金殘余應(yīng)力和表面粗糙度，晶粒變細(xì)，同時其強(qiáng)度和塑性有一定程度的提高。這是由于超聲作用在熔池中產(chǎn)生了空化泡，而空化泡的破碎對熔體產(chǎn)生了沖擊作用，局部溫度得到提高，增大過冷度的同時增大了形核率，最終細(xì)化了晶粒，試樣的強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)鍛件高出了許多。鈦合金試樣經(jīng)固溶時效熱處理后，其組織和性能也發(fā)生了一些變化。顯微組織晶粒相對細(xì)小，由多種相組成了混合組織，試樣的塑性和韌性得到提高，強(qiáng)度略微下降，綜合力學(xué)性得到提高。
四、結(jié)語
利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備出一層較薄的高強(qiáng)度涂層，可以有效改善鈦合金材料表面性能，相對傳統(tǒng)工藝有著很多突出的優(yōu)勢，涂層與基體材料之間冶金連接，不易脫落，且涂層性能優(yōu)良，可有效的起到防護(hù)作用。交變電磁場可以改善金屬的凝固組織和性能，在涂層的凝固過程中，可以細(xì)化晶粒，來獲得質(zhì)量更佳的防護(hù)涂層。[16,17]
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