钛合金表面激光熔覆改性技术教材
钛合金表面上两种镍基合金粉的激光熔覆研究
钛合金表面上两种镍基合金粉的激光熔覆研究St udy of Laser Cladding Two Ni2base AlloyPowders on Titanium Alloy耿 林,孟庆武,郭立新(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)GEN G Lin,M EN G Qing2wu,GUO Li2xin(Harbin Instit ute of Technology,Harbin150001,China)摘要:分别以NiCrBSi和NiCoCrAl Y为预涂粉,采用CO2激光器,在Ti26Al24V合金表面进行激光熔覆镍基合金涂层的研究。
通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对涂层进行分析,对比两种镍基合金粉的激光熔覆性能。
分析发现,NiCrBSi涂层组织以γ2Ni为基体,含有Ni3B,TiB2,TiC,CrB等多种增强相,而NiCoCrAl Y涂层组织主要为固溶多种元素的Ni基过饱和固溶体。
NiCoCrAl Y涂层组织以固溶强化和细晶强化为主,NiCrBSi涂层组织以第二相强化为主。
虽然NiCoCrAl Y粉比NiCrBSi粉的激光吸收率高,可以得到较厚的涂层,但是含有多种硬质增强相的NiCrBSi涂层硬度高于NiCoCrAl Y涂层。
关键词:激光熔覆;涂层;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;钛合金中图分类号:TB333 文献标识码:A 文章编号:100124381(2005)1220045203Abstract:U sing a CO2laser,a process of cladding Ni2base alloy coatings on Ti26Al24V wit h pre2 placed NiCrBSi and NiCoCrAl Y powders was st udied1The coatings were examined using XRD, SEM and EDS1The quality of two Ni2base coatings wit h different powders was compared1NiCrBSi coating was compo sed ofγ2Ni mat rix and CrB,Ni3B,TiB2and TiC reinforcement s1NiCoCrAl Y coating mainly consisted of Ni2base supersat urated solid solution1NiCoCrAl Y coating was st rengt h2 ened wit h solution strengt hening and grain refinement1NiCrBSi coating was mainly st rengt hened wit h several reinforcement s1Alt hough laser absorptivity of NiCoCrAl Y powder was higher t han t hat of NiCrBSi powder and t hick NiCoCrAl Y coating can be obtained,hardness of NiCrBSi coating containing several reinforcement s was higher t han t hat of NiCoCrAl Y coating1K ey w ords:laser cladding;coating;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;titanium alloy 钛合金虽已在航空和航天部门广泛使用,但由于摩擦系数大、耐磨性差,其工程应用范围仍受到限制。
钛合金的表面改性技术.
层裂纹。超声波在熔池中的空化及搅拌作用能使熔池各
处温度均匀化，改善了熔池的凝固状态，减少了残余热 应力和开裂敏感性。
总结和展望
激光表面改性是一项钛合金表面处理的理想技术，现已
引起各国的高度重视，特别是钛合金在军事及航空航天 以及汽车、医疗等领域的广泛用途，使得该领域的研发
钛合金
钛合金密度小，比强度高，具有良好的耐蚀性
、疲劳抗力，广泛应用于航空航天、国防、汽 车、医疗等领域。然而，钛合金摩擦系数高、 对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及 高温抗氧化性差等缺点，制约了它的应用。
有效的解决途径-表面改性：激光熔覆、激光合
金化和激光熔凝技术
激光熔覆
激光熔覆又称激光涂覆或激光熔敷，是一种新型的材料加工和表面改性技术，其实
质是将具有Leabharlann 殊性能(如耐磨、耐蚀、抗氧化等)的粉末先喷涂在金属表面上或同激 光束同步送粉，然后使其在激光束作用下迅速熔化、扩展及快速凝固，在基材表面 上形成无裂纹、无气孔的冶金结合层的一种表面改性技术。
• 经过激光重熔处理后，陶瓷涂 层颗粒细化，片层状组织得以 消失，致密性提高，硬度、耐 磨性和抗冲蚀性能明显提高。
工作倍受关注。
与国外钛合金激光表面改性技术的研究相比，国内有关
的理论和实验研究起步较晚，实际应用还较少，在装备
、工艺、材料和基础研究等方面都存在较大的差距。为 进一步扩大钛合金应用的发展，亟需开展钛合金激光表
面改性技术研究。
激光改性过程中裂纹产生机理
钛合金激光表面改性是快速熔化和凝固的冶金过程，在
激光处理过程中存在复杂的传热、传质、对流、扩散、 相变等物理和化学现象。
钛合金表面激光熔覆改性技术
钛合金的磨损机理为塑性变形，显微切削 熔覆层的磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损
20℃下磨损形貌，左边基材，右边熔覆层
7
提高抗氧化性能——激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层
高熵合金：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔
比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。具有很好 的力学性能，耐磨耐蚀性能和高温性能。 希望用激光熔覆的方法在钛合金表面制备高熵 合金涂层来提高其高温抗氧化性能。
用细胞培养实验（MTT）测试表面的生物 相容性。 490 nm波长吸收光度可以测量表面的细胞 数量 随着时间延长，细胞数目都是增加的，但 是HA涂层的细胞数量多于钛合金表面。
钛合金表面细胞成梭型，细胞聚集在一起， 较少铺展开；HA表面的细胞铺展开来并相 互联结。可以看出HA表面的生物相容性较 钛合金更好
3
钛合金在应用中存在的一些问题
耐磨性能 钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点，是航天、航空、汽车、 船舶和化工等部门中广泛使用的结构材料。但是，由于钛合金硬度较 低（约360HV），用在摩擦部位时，易产生磨损而失效，这就阻碍了钛 合金的广泛使用，限制了它在运动构件上的应用。 耐蚀性能和抗氧化性能 Ti是一种很活泼的金属，在常温下钛合金表面会有一层致密的氧化 膜起到保护的作用，但是在高温下，氧化膜会失去保护的作用，导致 钛合金构件因为氧化腐蚀而失效。 生物相容性 钛合金具有较好的生物组织相容性和很高的比强度, 是制备人工骨骼 比较理想的材料。但是纯Ti的机械强度较低，也不耐磨，为了提高Ti的 机械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但这是以牺牲 其生物相容性为代价的。这些合金元素会缓慢的释放，对人体造成影 响。
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参考文献
[1]. Fei Weng, Chuanzhong Chen, Huijun Yu. Research status of laser cladding on titanium and its alloys- A review. Materials and Design (2014) 58:412–425 [2]. Xiu-Bo Liu, Xiang-Jun Meng, Hai-Qing Liu, Gao-Lian Shi, Shao-Hua Wu, Cheng-Feng Sun,Ming-Di Wanga, Long-Hao Qi. Development and characterization of laser clad high temperature self-lubricating wear resistant composite coatings on Ti–6Al–4V alloy. Materials and Design (2014) 55:404–409 [3]. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti–6Al–4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011) [4]. D.G. Wang, C.Z. Chen, J. Ma, G. Zhang. In situ synthesis of hydroxyapatite coating by laser claddin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (2008) 66:155–162 [5]. Min Zhenga, Ding Fan, Xiu-Kun Li, Wen-Fei Li, Qi-Bin Liu, Jian-Bin Zhang. Microstructure and osteoblast response of gradient bioceramic coating on titanium alloy fabricated by laser cladding. Applied Surface Science (2008) 255: 426–428 [6]. Can Huang , Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloy coatings on Ti-6Al-4V substrate, Materials and Design, (2012)
钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究
钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究钛合金材料因其良好的生物相容性和力学性能，被广泛应用于医疗领域。
然而，其表面的生物活性仍然有待提高。
为了提高钛合金表面的生物活性，研究人员开始采用激光熔覆技术制备生物陶瓷涂层，并对其生物活性进行深入研究。
激光熔覆技术是一种将陶瓷材料熔化并喷洒在金属表面形成涂层的方法。
在钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层的过程中，激光的熔覆温度、喷洒速度和陶瓷材料的种类等因素对涂层的质量和生物活性有着重要影响。
因此，选择合适的工艺参数和材料具有重要意义。
研究表明，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层具有良好的结合强度和致密性。
这是因为激光能量的作用下，陶瓷材料与钛合金表面发生反应，形成了良好的界面。
同时，激光熔覆技术还能够提高涂层的生物活性。
一些研究表明，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层能够促进骨细胞的生长和骨组织的再生，具有巨大的潜力在骨缺损修复和植入物表面修饰方面的应用。
除了生物活性，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层还具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
这使得其在膝关节和髋关节等关节植入物的表面涂覆应用中具备优势。
研究人员通过多种方法对激光熔覆制备的生物陶瓷涂层进行了生物性能测试，研究结果表明其生物相容性良好，并且对骨细胞具有良好的生长和附着性。
此外，研究人员还对激光熔覆制备的生物陶瓷涂层的生物活性机制进行了探究。
结果表明，涂层表面的微观形貌和化学成分对其生物活性有着重要影响。
具有适当粗糙度和合适元素的涂层能够提供更好的细胞附着和增殖环境。
综上所述，钛合金表面激光熔覆制备的生物陶瓷涂层具有良好的生物活性和生物相容性。
这为其在骨缺损修复和植入物表面修饰等医疗领域的应用提供了良好的前景。
然而，目前钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层的研究还处于初级阶段，没有形成统一的规范和工艺流程。
未来的研究需要进一步探究激光熔覆制备技术的工艺参数和涂层材料的选择，以提高涂层的生物活性和稳定性综上所述，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层在骨细胞的生长和骨组织再生方面具有良好的生物活性，且具备耐磨性和耐腐蚀性，在关节植入物表面涂覆方面具有优势。
钛合金表面缺陷的激光熔覆修复
2 试验结果及性能分析
2.1 激光修复层的微观形貌及硬度分析 2.1.1 模拟试样凹痕缺陷修复后的显微组织分析 凹痕缺陷修复后的微观形貌如图 1（a） ~（c） 所示。 图 1（a） 可以看出激光熔覆修复区无裂纹、 无气孔， 修 复区与基体之间界面为冶金结合， 热影响区很小， 约在 100μm 左右， 修复区组织为明显的快速凝固胞枝晶结 构， 主要由 α′ 针状马氏体相和少量的残余 β 组织组 成。 图（ 1 d） 是沿图 （ 1 a） 修复区中心的显微硬度分布图。 修复区的显微硬度与基材硬度相近， 热影响区硬度有所 升高， 这是由于基体中的 β 相或魏氏体发生部分马氏 体转变。
义成分为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。它通过 α 稳定元素 Al 得到固溶强化， 加入 Zr、 Mo 和 V 补充强化并改善其工 艺性能。TA15 钛合金高铝当量接近 α 钛合金， 相当于 前苏联的 BT20 钛合金。 1.2 钛合金表面缺陷的激光修复工艺 激光熔覆热源采用 CO2 气体激光和 Nd:YAG 固体 激光， 波长分别为 10.6μm 和 1.06μm。修复钛合金裂 纹模拟试样前， 需要先打磨清理裂纹区域， 将线切割制 作裂纹时产生的热影响区完全去除， 然后采用 Nd:YAG 固体脉冲激光加工机的显微焊方式进行逐层填焊， 直至 将试样表面裂纹修复模拟区完全填满。 凹痕激光熔覆与通常的平面激光熔覆不同， 凹痕处 于三维空间， 无论在修复层的结构约束方面还是在界面 结合方面都不同于二维平面， 前者受到较大的结构约束 和空间多维界面结合的影响。 1.3 对比修复工艺的选择 在实际生产中， 可选择的修复工艺除了激光熔覆， 常用的还有氩弧焊和热喷涂等方法。氩弧焊会造成很 大的热影响区， 不能用于修复薄壁零件， 也不能用来修 复受热后产生变形翘曲、 过热或裂纹的零件。热喷涂方 法， 由于形成的涂层有气孔、 涂层与基体粘接不牢等缺 陷， 也不能用来修复接触载荷较大或冲击载荷较大的零 件。综合比较， 本研究选择氩弧焊与激光熔覆进行对比 试验。
钛合金表面激光熔覆Cr3C2／Ni基合金复合涂层的微观组织
第２ ６卷
第 ４期
天
津
工
业
大
学
学
报
Ｖ １２ Ｎｏ ４ ｏ ．６ ． Ａｕ ｕ ｔ ２ ０ ｇ ｓ ０ ７
２０ ０７年 ８月
Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＡＮＪ Ｎ ｏＬＹＴＥＣＨＭ Ｃ ＴＩ Ｉ Ｐ ＵＮ】， ｎ Ｙ ［ＥＩ 、
Ｋｅ ｒ ｓ Ｔ ｔ ｎｕ ａｌｙ；ｌｓ ｒｃａ ｄ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｉ ｍ ｌ ａ ｏ ａ ｅ ｌｄ ｉｇ；Ｃ ２ Ｎｉｂ ｓ ｌ ｙ ｃ ｍｐ ｓｔ ａ ｅ ；ｍｉ ｒ ｓ ｕ ｔ ｒ ；ｍｉｒ ｈ ｒ ｎ ｓ ｈ Ｃ ／ － ａ ｅ ａ ｏ ｏ ｏ ｉ ｌｙ ｒ ｌ ｅ ｃｏ ｔ ｃｕ ｅ ｒ ｃｏ ａｄ ｅ ｓ
关 键词 ： 合 金 ；激 光 熔 覆 ；Ｃ３ ２Ｎ 基 合 金 复 合 涂 层 ；微 观 组 织 ；显微 硬 度 钛 ｒＣ／ ｉ
中图分 类号 ：Ｇ ５ ．９ Ｔ １６ ９
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： ６ １０ ４ （ ０７ ０ －０Ｏ ｏ １７ －２ Ｘ ２ ０ ）４ ｏ ６ － ３
Ｍ ｉｒ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ３ ／ － ａ ｅ ａｌｙ ｃ ｍ ｐ ｓｔ ａ ｅ ｎ ｃ ｏ ｔｕ ｔ ｒ ｆＣｒ Ｎｉ ｓ ｌ ｏ ｏ ｉ ｌｙ ｒｏ Ｃ２ ｂ ｏ ｅ
钛 合 金 表 面激 光熔 覆 Ｃ３ ２ Ｎ 基 合 金 复合 涂 层 的微 观 组 织 ｒＣ ／ ｉ
刘录录 ，孙荣禄 ，牛 伟 ，雷贻 文
（ 天津工业大学 机械 电子学 院，天津 ３０ ６ ） ０ １０
摘
要： 将质量分数 为 ２ ％的 Ｃ３ ２Ｎ 基合金混合粉末预置在 Ｔ Ａ 合金表 面， 用 ５ｋ 横流 Ｃ ２激光 器进行激 ５ ｒＣ／ ｉ Ｃ 利 Ｗ Ｏ
激光熔覆课件
稀释效应是指由于基体材料的熔化，使得熔覆层的成分和组织发生变化的现象。稀释效应对熔覆层的性能有重要 影响。
熔覆层组织与性能
组织
激光熔覆层的组织主要由熔化的基体材料和熔覆材料组成，其组织结构取决于熔覆工艺 参数和熔覆材料成分。
性能
激光熔覆层的性能主要取决于其成分、组织和热处理状态。常见的性能指标包括硬度、 耐磨性、耐腐蚀性和高温性能等。
激光熔覆技术用于修复受损的模具钢，通过 熔覆高熔点合金粉末，使模具表面获得优良 的耐磨、耐热和耐腐蚀性能，显著提高了模 具的使用寿命。
案例二：激光熔覆制备耐磨涂层
总结词
高耐磨性，延长设备寿命
详细描述
利用激光熔覆技术在设备表面制备耐磨涂层，如合金 钢、不锈钢等材料表面熔覆硬质合金粉末，显著提高 了设备的耐磨性能，延长了设备使用寿命。
熔覆层与基体结合强度
影响因素
影响熔覆层与基体结合强度的因素主要 包括基体表面的处理状态、熔覆材料的 成分和熔覆工艺参数等。
VS
结合强度
结合强度是指熔覆层与基体材料之间的粘 附力，是评价激光熔覆层质量的重要指标 之一。
06
激光熔覆案例分析
案例一：激光熔覆修复模具钢
总结词
修复效果好，提高使用寿命
详细描述
粉末或丝材的粒度和纯度对熔覆层的组织和性能有重要影响，需要 选用合适粒度和纯度的粉末或丝材。
粉末或丝材的流量与稳定性
粉末或丝材的流量和稳定性对熔覆层的厚度和均匀性有重要影响， 需要保证粉末或丝材的稳定供给。
加工头与光路系统
加工头的结构与功能
加工头的冷却与保护
加工头是实现激光熔覆加工的核心部 件，其结构与功能对熔覆层的表面质 量和加工效率有重要影响。
激光表面改性技术主要技术内容.
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光表面改性技术内容
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光表面改性技术主要内容与分类。
激光表面改性内容65Fra bibliotek2 1
3 4
图1 作用时间与功率密度对应的改性内容
激光表面改性内容与分类
激光表面改性技术简图
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
小 结
1、激光表面改性技术内容包括：激光相变硬化、激光表面熔化 处理，激光冲击硬化 2、激光表面熔化可分为：激光合金化、激光熔覆、激光重熔、 激光复合改性、激光上釉等
作业思考题
1、激光熔覆表面改性技术内容有哪些？ 2、激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化所需的激光功率密 度大小是怎么排序的？
TiC+Ti粉末在TC4钛合金表面激光熔覆的表面改性技术
TiC+Ti粉末在TC4钛合金表面激光熔覆的表面改性技术摘要：激光表面镀层应用于TC4钛合金用来改进其表面性能。
把TiC和Ti 的粉末以质量比1：3的比例混合后覆在TC4钛合金表面，随后用激光束进行处理。
材料表面层的显微结构和组分的改变用SEM,EDX和XRD仔细研究。
通过熔融，液态混合流动，紧接着快速凝固和冷却，一层逐渐过度的微观结构和组织就形成了。
TiC粉末在熔融时全部熔入表面层，在凝固的过程中作为细小的树枝晶偏析出来。
树枝晶的内部区域有一些富含铝的a′相细晶片晶。
因为TiC随着深度的增加而变少，激光熔覆层的硬度也随着深度的增加而降低。
表面层的最高硬度是1400HV，大约是原始材料的4.5倍。
关键词：TC4钛合金TiC 激光熔覆技术偏析硬度钛合金被广泛应用于工业生产是因为其力学性能和化学性能的良好结合，例如高的刚度，低的密度和良好的耐蚀性。
然而由于钛合金的硬度低，导致其耐磨性比较差，从而限制了钛合金的进一步使用。
由于多种原因，一种材料的失效是从它的表面开始的，尤其是在磨损或腐蚀环境中。
因此为了全面提高钛合金的性能，使用表面改性的方法提高钛合金的耐磨性是非常必要的。
有多种不同的方法应用于提高钛合金的耐磨性和耐蚀性。
如：PVD,CVD,溶胶-凝胶法，阳极氧化等。
然而，这些方法都存在各自的缺点。
例如，用于电影存储的钛合金通常非常的窄而且和机体的结合非常的弱。
在众多的表面处理技术中，激光熔覆技术提供了一哦个最佳的选择，使用该技术，可以获得一层薄的镀层从而获得非常好的性能。
通过激光熔覆，不同的合金或金属基复合物可以很容易的在被处理的材料表面产生。
镀层和基体之间的强的金属键。
考虑到上面提到的各种优点，激光熔覆技术可以用于在TC4钛合金上产生原位金属基符合材料，来提高熔覆层的硬度，熔覆层的表面的显微结构和组分进行详细的研究。
2.实验2.1试样的准备和激光处理对钛合金的研究，这里主要就商业钛合金的获取做出解答。
激光熔覆对钛合金表面粗糙度的提升研究
激光熔覆对钛合金表面粗糙度的提升研究钛合金是一种具有广泛应用前景的材料，特别是在航空航天、汽车工程和生物医学领域。
然而，钛合金的表面粗糙度对其性能和功能产生重大影响。
因此，研究如何提高钛合金的表面粗糙度是至关重要的。
本文将探讨激光熔覆技术对钛合金表面粗糙度的提升效果。
钛合金内部晶体结构的复杂性和独特性使其对热加工过程的响应变得复杂。
传统的加工方法往往会导致钛合金表面粗糙度增大，例如刨削和铣削。
而激光熔覆技术由于其独特的工艺特点和操作控制能力，成为提高钛合金表面质量和粗糙度的一种有效方法。
首先，激光熔覆技术具有非接触性的特点，因此能够避免直接物理接触对材料表面造成的损伤。
激光束可以通过调整光强、扫描速度和聚焦距离等参数来精确控制熔覆过程中的热输入和冷却速率。
这种精确的控制使得激光熔覆技术能够在不改变钛合金化学成分的情况下，实现对表面粗糙度的调控。
其次，激光熔覆技术可以使用不同的添加材料来改变钛合金的化学成分和组织结构，从而进一步提高其表面粗糙度。
通过选择不同的添加材料，如陶瓷粉末或金属粉末，激光熔覆过程中形成的新材料层可以具有更高的硬度、磨损和腐蚀性能，从而显著提高钛合金的表面质量和粗糙度。
同时，激光熔覆技术采用快速冷却的方式，可以抑制材料中晶粒的长大和相变的发生。
这种快速冷却过程可以产生细小、均匀的晶粒和致密的组织结构，有助于提高钛合金的表面粗糙度。
此外，由于激光束的高能密度和短脉冲时间，激光熔覆技术还能够减小或消除钛合金表面的毛刺和孔洞，进一步提高表面质量和粗糙度。
在实际应用中，激光熔覆技术通常采用熔覆过程和后续处理过程相结合的方式，以进一步提高钛合金表面的粗糙度。
例如，通过调整熔覆过程中的激光功率、扫描速度和熔池尺寸等参数，可以控制钛合金表面的熔融深度和熔融尺寸，从而实现对表面粗糙度的调控。
在熔覆完成后，还可以采用机械研磨、化学抛光和电化学抛光等后续处理方法，进一步改善钛合金表面的质量和粗糙度。
激光熔覆对钛合金材料抗疲劳性能的提高研究
激光熔覆对钛合金材料抗疲劳性能的提高研究钛合金作为一种重要的结构材料，广泛应用于航空航天、汽车和医疗领域。
然而，钛合金材料在长时间加载和高应力状态下容易发生疲劳断裂，限制了其进一步应用的范围。
因此，提高钛合金材料的抗疲劳性能成为了研究的热点之一。
激光熔覆作为一种先进的表面改性技术，被广泛应用于钛合金材料的研究中。
通过激光熔覆技术，可以在钛合金材料的表面形成一层致密的熔覆层，从而改善钛合金材料的表面性能和抗疲劳性能。
首先，激光熔覆技术可以改善钛合金材料的表面硬度。
研究表明，激光熔覆处理后的钛合金材料表面硬度明显提高。
这是因为激光熔覆过程中，高能量激光束可以将基材表面局部加热至熔点以上，形成一层熔池。
随着熔池的凝固，熔覆层的晶粒尺寸变小，晶格缺陷减少，从而提高了材料的硬度。
增强的表面硬度可以有效抵抗外界引起的微弱损伤，提高钛合金材料的抗疲劳性能。
其次，激光熔覆技术可以改善钛合金材料的表面粗糙度。
表面粗糙度是影响钛合金材料疲劳性能的重要因素之一。
传统的钛合金材料通常具有较大的表面粗糙度，容易形成应力集中点，从而导致疲劳断裂。
激光熔覆技术通过快速的熔化和凝固过程可以有效改善钛合金材料的表面粗糙度。
熔覆层形成后，可以消除钛合金材料的表面缺陷和晶界，使得表面保持平整，从而降低了应力集中的可能性，提高了钛合金材料的抗疲劳性能。
此外，激光熔覆技术可以改善钛合金材料的界面连接性能。
钛合金材料常常与其他材料进行连接，如焊接、锻接等。
然而，传统的连接方式容易形成强应力集中区域，从而降低了钛合金材料的抗疲劳性能。
激光熔覆技术可以在连接区域形成一层熔覆层，使连接界面得到强化。
这种强化层具有良好的连接性能和机械性能，能够减少应力集中，提高钛合金材料的抗疲劳性能。
总结起来，激光熔覆技术通过改善钛合金材料的表面硬度、表面粗糙度和界面连接性能，可以显著提高钛合金材料的抗疲劳性能。
然而，目前对于激光熔覆对钛合金材料抗疲劳性能提高研究的相关文献还相对较少。
钛合金表面缺陷的激光熔覆修复
表2 模拟裂纹氩弧焊修复拉伸试验结果 抗拉强度/MPa 820 995 940 屈服强度/MPa — 937 — 延伸率/% — 2 —
复过程中过大的热输入对焊缝造成基体吸氢吸氧而变 脆， 使氩弧堆焊修复后抗拉强度、 屈服强度和延伸率均 低于激光修复。 2.3 疲劳试验 疲劳试验采用 MTS810 电液伺服疲劳试验机进行。 R =0.1， f =25Hz。试验结 试验条件为应力水平 650MPa， 果如表 3 所示。
1 试验过程及方法
1.1 试验材料 试验选取了生产中常用的 TA15 钛合金材料， 其名
116 航空制造技术·2011 年第 16 期
TEST AND MECHANISM ANALYSIS
测试与机理分析
（a） 低倍形貌 （b） 结合界面
100μm
5μm
[ 摘要 ] 采用激光熔覆方法对钛合金试样表面缺 陷进行修复， 对修复结果进行反复测试， 并与氩弧焊修 复进行对比试验。试验结果表明， 激光熔覆可实现对钛 合金表面缺陷的有效修复， 且各方面性能远高于氩弧焊 修复。 关键词：修复 激光熔覆 钛合金表面缺陷 氩弧 焊 [ABSTRACT] Repairing for titanium alloy surface defect with laser cladding method is researched. A number of tests on the coat and the titanium alloy material are carried out. The comparative experiment on the laser cladding method and the argon arc welding is performed. The results prove that the laser cladding method can repair the titanium alloy surface defect well, and the laser cladding coat performances are better than the argon arc welding. Keywords: Repairing Laser cladding Titanium alloy surface defect Argon arc welding 钛合金具有比强度大， 比重量轻、 耐高温以及焊接 性能良好等优点， 广泛的应用于航天、 航空等领域 [1-4]。 实际生产过程中， 刮碰、 操作失误等原因造成钛合金零 件产生凹痕、 裂纹、 尺寸超差等质量问题。因为表面缺 陷导致零件的报废， 将造成巨大的经济损失； 制造新的 零件， 又会延长生产周期， 甚至影响飞机的按期交付。 采取适当的方法对零件的表面缺陷进行修复， 不仅可以 有效地解决这类问题， 而且具有很好的经济效益和社会 效益。 与传统修复方法相比， 激光熔覆技术有以下优点 [5] ： 激光束的能量密度高， 作用区域集中， 除作用区域外， 材 料其他部分不受热作用； 激光加工的加热和冷却速度 快， 材料的组织和性能不受破坏， 所形成修复层的表面 组织和性能均优于其他传统方法形成的； 激光加工的表 面没有机械作用， 使得加工速度快， 效率高。因此， 采用 激光熔覆技术能够很好地修复钛合金的表面缺陷。
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参考文献
[1]. Fei Weng, Chuanzhong Chen, Huijun Yu. Research status of laser cladding on titanium and its alloys- A review. Materials and Design (2014) 58:412–425 [2]. Xiu-Bo Liu, Xiang-Jun Meng, Hai-Qing Liu, Gao-Lian Shi, Shao-Hua Wu, Cheng-Feng Sun,Ming-Di Wanga, Long-Hao Qi. Development and characterization of laser clad high temperature self-lubricating wear resistant composite coatings on Ti–6Al–4V alloy. Materials and Design (2014) 55:404–409 [3]. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti–6Al–4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011) [4]. D.G. Wang, C.Z. Chen, J. Ma, G. Zhang. In situ synthesis of hydroxyapatite coating by laser claddin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (2008) 66:155–162 [5]. Min Zhenga, Ding Fan, Xiu-Kun Li, Wen-Fei Li, Qi-Bin Liu, Jian-Bin Zhang. Microstructure and osteoblast response of gradient bioceramic coating on titanium alloy fabricated by laser cladding. Applied Surface Science (2008) 255: 426–428 [6]. Can Huang , Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloy coatings on Ti-6Al-4V substrate, Materials and Design, (2012)
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熔覆层硬度在1000HV以上，远远 高于基体材料（360HV） 得益于大量的碳化物TiC + TiWC2 弥散分布起到强化作用
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激光熔覆合成自润滑耐磨涂层
使用直径4mm的Si3N4陶瓷球，加载力5N，磨 损40min。 熔覆层的摩擦系数比基体低很多，相应的磨 损量也低很多 随着温度升高钛合金摩擦系数降低，这是由 于生成的氧化膜降低了表面的摩擦系数导致。 随着温度升高熔覆层摩擦系数先下降再上升
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钛合金在应用中存在的一些问题
耐磨性能 钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点，是航天、航空、汽车、 船舶和化工等部门中广泛使用的结构材料。但是，由于钛合金硬度较 低（约360HV），用在摩擦部位时，易产生磨损而失效，这就阻碍了钛 合金的广泛使用，限制了它在运动构件上的应用。 耐蚀性能和抗氧化性能 Ti是一种很活泼的金属，在常温下钛合金表面会有一层致密的氧化 膜起到保护的作用，但是在高温下，氧化膜会失去保护的作用，导致 钛合金构件因为氧化腐蚀而失效。 生物相容性 钛合金具有较好的生物组织相容性和很高的比强度, 是制备人工骨骼 比较理想的材料。但是纯Ti的机械强度较低，也不耐磨，为了提高Ti的 机械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但这是以牺牲 其生物相容性为代价的。这些合金元素会缓慢的释放，对人体造成影 响。
激光熔覆技术原理图
钛合金激光熔覆材料分类
陶瓷 包括氮化物，碳化物，氧化物等，例如TiN，SiC，Al2O3，BN，TiB等。陶瓷材料 常被用于钛合金激光熔覆涂层，可以获的很好的耐磨性以及良好的高温性能。其缺 点是陶瓷相很脆，易产生缺陷，采用预置粉法，有时很难得到均匀的涂层。 金属或合金 现在已经很少使用单纯的金属或者合金作为熔覆层材料了。其中Ni基合金，Fe 基合金，Co基合金被广泛使用。尤其是Ni基合金具有很好的高温耐磨耐蚀性能，并 且很容易和基体结合。 复合材料 激光熔覆技术最常采用的材料，分为陶瓷基复合材料和金属基复合材料。一般 使用金属或合金作为基体，把硬质的陶瓷相颗粒粘结在一起，起到弥散强化的作 用。常用的有Ti–TiC，Al–TiC ， Ti–Al–B4C，Ti + Ni + B4C等，在激光熔覆时原位生成 TiC, TiB, TiNi, Ti2Ni等强化相。 某些添加剂 稀土元素，例如Y，Ce，La具有独特的物理和化学性质，常被用作激光熔覆的 添加剂。稀土元素可以起到细化晶粒的作用，还可以提高熔体流动性，有利于熔 渣的排除。氧化钇稳定氧化锆（YPSZ）也常被用来作为添加剂来抑制裂纹的产生。
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提高耐磨性能——激光熔覆合成自润滑耐磨涂层
提高耐磨性能的手段： 提高材料表面硬度 提高表面光洁度 采用润滑剂
采用TiN，SiC等陶瓷涂层虽然可以获得 很高的表面硬度，但是其摩擦系数一 般也较高，这会导致摩擦时产生高温， 高接触应力，不利于耐磨性能的提高。
基材：Ti-6Al-4V 熔覆材料： NiCr/Cr3C2–30%WS2 使用1.5KwCO2激光器，光斑直径 4mm，扫描速率6mm/s，N2作为保 护气 得到结合良好的熔覆层
激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层的抗氧化性
将熔覆层材料和基体材料分别在800 ℃氧化气氛中保温24h，然后称量重 量变化。
钛合金表面形成了约50 μm的氧化膜， 氧化膜并没有很好的附着在基体上， 并且有很多细小的裂纹，无法对基体 起到很好的保护作用。 熔覆层表面生成了一层很薄的致密的 氧化膜，氧化膜厚度约5μm，比基材 Ti–6Al–4V的氧化膜要薄很多。氧化膜 紧紧依附于熔覆层表面，产生了很好 的保护作用。
基材： Ti–6Al–4V 粉末：使用纯度达99.5%的高纯粉末，考虑 到某些元素易损失，使用比为 Ti:V:Cr:Al:Si=6:13.9:11.5:11:8(wt.%)的粉末， 来实现等摩尔比的熔覆。 激光功率 2KW（CO2 激光器），扫描速度 3.0mm/s，送粉率2 g/min，光斑直径2.5mm， 扫描间距1.5mm 左边为熔覆层的宏观形貌以及断面组织 可以看到熔覆层和基体形成良好的冶金结 合。
用细胞培养实验（MTT）测试表面的生物 相容性。 490 nm波长吸收光度可以测量表面的细胞 数量 随着时间延长，细胞数目都是增加的，但 是HA涂层的细胞数量多于钛合金表面。
钛合金表面细胞成梭型，细胞聚集在一起， 较少铺展开；HA表面的细胞铺展开来并相 互联结。可以看出HA表面的生物相容性较 钛合金更好
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提高生物相容性——激光熔覆原位合成羟基磷灰石（HA）涂层
羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 ，是人体骨骼和牙齿的主要成分，具有优良的生物相 容性和生物活性。但是HA机械性能很差，非常脆，不能直接拿来使用。但是将其用 于钛合金表面改性可以将其生物相容性和钛合金的强度结合起来，是一种理想的植 入物表面改性材料。 材料和方法: 用TA2 钛合金作为基材，使用CaCO3和CaHPO4· 2H2O作为原料。为保证Ca/P元素比， 和元素烧损，两种粉末质量比为20:80 wt.%，将两种粉末混合。 在清洗的钛板上先铺一层Ti粉(50 wt.%)和混合粉末(50 wt.%)作为过度层，再在上 面铺混合粉末，粉末厚度1mm。过渡层为了提高HA层的结合力。 使用CO2连续激光器，光斑直径4mm，功率600W，扫描速度3.5-11.2mm/s，使用 Ar作为保护气。
钛合金的磨损机理为塑性变形，显微切削 熔覆层的磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损
20℃பைடு நூலகம்磨损形貌，左边基材，右边熔覆层
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提高抗氧化性能——激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层
高熵合金：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔
比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。具有很好 的力学性能，耐磨耐蚀性能和高温性能。 希望用激光熔覆的方法在钛合金表面制备高熵 合金涂层来提高其高温抗氧化性能。
钛合金表面激光熔覆改性技术
2015-01-20
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激光熔覆技术
原理：在基材表面选择合适的涂层材料，利用高功率密度的激光束使之与基
材表面极稀薄层同时熔化，并快速凝固后表面涂层，从而显著改善基材表面特
性的工艺方法。 特点： 可以在工件表面制备高性能涂层，进 行单层或多层熔覆，涂层厚度不受限 制 冷却速率高，熔覆层可以获得细晶组 织 熔覆效率比较高，单道熔覆层厚度可 以超过1mm 可以实现局部的精密熔覆和修复，减 少后续加工 熔覆层的成分和性能不受基体材料的 影响。 激光熔覆热影响区小，不会破坏工件 的力学性能
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激光熔覆原位合成羟基磷灰石（HA）涂层
可以看到熔覆层和过渡层，过渡层和基材 都结合良好，没有明显缺陷。 熔覆层中可以看见细小的直径组织，沿着 温度梯度的方向生长。 XRD结果显示，在熔覆层中有HA被合成出 来。同时还有CaTiO3生成， CaTiO3主要集中 在过渡层。
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激光熔覆原位合成羟基磷灰石（HA）涂层
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激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层的抗氧化性
氧化膜由SiO2，Cr2O3，TiO2，Al2O3和 少量的V2O5组成，多种氧化物相互 配合，起到了很好的保护作用。