钛及钛合金的激光表面改性研究现状
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复合激光氮化处理技术也能提高钛合金的表 面性能。在氮气环境下加入合金粉末进行激光处理
专瘩讨论
戴景杰等：钛及钛合金的激光表面改性研究现状
第１１期
可明显提高钛及钛合金的表面性能。在氮气环境下 进行钛合金表面加Ａｌ粉激光合金化的研究发现， 在整个合金化区内遍布着树枝状的ＴｉＮ、Ｔｉ２Ｎ和 Ｔｉ２ＡＩＮｔⅢ，在氮气环境下对纯钛激光碳合金化后，合 金化层内生成大量的ＴｉＮ和ＴｉＣ枝状晶【ｌ川；而对预 涂了ＴｉＮ粉末的纯钛进行气体氮化后，测得氮化层 厚度约２５０斗ｍ，其硬度范围为５５０－１ ７００ ＨＶ，摩擦 系数低于未氮化的基体【ｌ列。Ｆｕ等人【ｌｑ在纯钛和钛合 金表面预涂Ｎｉ和Ｃｒ的合金粉末后再激光氮化的 试验表明，氮化层内原位生成了大量的ＴｉＮ和Ｃｒ２Ｎ 等化合物，其滑动磨损抗力显著提高。
ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ；ｌａｓｅｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
０前言
钛及钛合金是２０世纪５０年代发展起来的一 种重要的金属材料，其主要特点是比强度高、耐腐 蚀、中低温性能好，同时还具有超导、记忆、储氢等 特殊性能，因而在航空、化Ｔ、电力、医疗等领域获 得日益广泛的应用，而且作为尖端科学技术材料，将 具有强大的生命力川。但是钛及钛合金表面硬度低， 在滑动摩擦条件下摩擦力学性能差，特别是摩擦和 磨损抗力相当低，严重限制了其应用范围翻。
第４０卷第１１期 ２０１０年１１月
雹珲梭
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ北ｈｉｎｅ
ＶｏＬ４０ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２０１０
钛及钛合金的激光表面改性研究现状
戴景杰。谷晓妹，庄 蕾 （青岛滨海学院，山东青岛２６６５５５）
摘要：硬度低、耐磨性能差是制约钛舍金发展的关键问题，而激光表面改性处理是解决这一问题的有
从事材料表面改性与强化的研究工作。
万方数据
理、表面合金化和表面涂层等技术，取得了较好的 效果。但多数传统表面化学热处理方法存在加热温 度比较高、热处理周期长、渗层薄、组织控制困难、 易引起工件变形和晶粒粗大、与基体结合力差、容易
开裂或剥落等弱点和不足。激光表面改性技术为钛及 孥一．、盈题讨论ｌ｜激光焊接切割及激光焊缝跟踪
况缸锄鳜Ｚ茹垆篇ｚＺ；．一 ·８５·
专置讨论
重晖拽
第４０卷
１．１激光表面合金化
激光表面合金化是指在高能量激光束的照射 下，使基体材料表面一薄层与根据需要加入的合金
元素同时快速熔化、混合。形成厚度为１０－１ ０００“ｍ 的表面熔化层，由于熔化层在凝同时获得的冷却速
度可达１０５～１０８℃／ｓ，另外熔化层液体内存在扩散
由于钛合金不能通过相变来大幅度提高其硬 度，因此，在金属构件整体性能满足服役条件下，利 用先进的表面技术对钛合金进行改性处理，赋予金 属表面高硬度、高耐磨损和良好的耐腐蚀性能是解 决此类问题的有效途径。为此进行了大量的钛合金 表面改性的研究工作，发展了钛合金表面化学热处
收稿日期：２００９－０６—２４；修回日期：２０１０－－０５—１５ 作者简介：戴景杰（１９７９叫．男．山东胶州人，讲师．硬士。主要
激光表面固体粉末合金化是采用激光将待处 理材料表面加热．基材与外加合金元素粉末一起熔 化混合，形成熔池，随后迅速凝同，在基材表面形成 新的合金层。钛及钛合金激光固体粉末合金化添加 粉末种类较多，添加方式主要有同步送粉法和预置 涂层法，一般大多采用涂刷、火焰及等离子喷涂等 预置涂层的方法。目前，在激光表面同体粉末合金 化时，添加到基体上的合金成分依据表面合金化层 组织可分为三大类：
钛合金的强化提供了一条新的途径。激光表面改性 技术克服了上述多数表面改性技术的不足，可获得 硬度高、摩擦系数小、耐磨、耐蚀和耐高温性能优异 的表面改性层，且涂层与基体之间为结合强度很高 的冶金结合，显著延长了钛合金构件的使用寿命。
１ 钛及钛合金激光表面改性研究
钛及钛合金表面的激光表面改性技术是目前 国内外材料领域的研究热点之一。虽然对其他金属 表面改性技术的研究已有多年的历史，但对钛及钛合 金表面的激光表面改性技术是最近几年才发展起来 的。钛及钛合金的激光表面改性技术大致可分为激 光表面合金化法、激光熔覆法和激光表面重熔法。
·一靼二…一彪学鳓名ｏ‰一
万方数据
中，由于激光气体氮化时工艺参数不同，形成的Ｔｉ— Ｎ化合物性质和体积分数也不同，表面氮化层的最 大硬度值相差较大。
２０００
１ ５００
岁
罢 毯 警
０ ０
２００
４００
６００
层抹，“ｍ
图２典型的激光气体氮化试样表面硬度一层深曲线
对激光氮化层的腐蚀研究表明，氮化层的腐蚀 抗力显著提高，在３．５％ＮａＣｌ溶液中氮化层的点蚀 抗力比纯钛及钛合金提高了１２倍阍。激光氮化的纯 钛和钛合金试样在７００℃下进行的氧化试验表明， 氮化层的抗氧化能力明显高于基体【９ｌ。
‰，
激光气体氮化是利用高能激光束在高纯氮气
鼽ｒ
澎么 气氛中对钛及钛合金进行表面熔化。氮气在高能激
光束辐照作用下与熔池中高温钛及钛合金金属液
发生强烈的化学／冶金交互作用，从而显著改变熔
池中金属液的化学成分和组成，快速凝同后最终获 得以硬质氮化钛为增强相的氮化层∞】。
对纯钛表而激光氮化的结果表明，工件表层氮 的浓度较高，形成的ＴｉＮ枝晶密度由表面沿深度方
虽然钛及钛合金激光气体氮化可获得高的表 面硬度，但表面较粗糙，表面硬度下降梯度极大（在 １００斗ｍ下降约一半），因此，在磨损、腐蚀等性能的 实际测试中均需对处理材料表面进行打磨，这在一 定程度上使所测试的磨损、腐蚀性能数据直接可比 性降低。同时，对于表面粗糙度要求高的钛及钛合 金构件而言，粗糙的高硬度表面不利于后续加工。 １．１．２激光表面粉末合金化
激光工艺参数对氮化层的性能有明显的影响。 在其他条件相同时，随着激光功率的增加，氮化层 硬度增加。激光扫描速度增加，氮化层深减小，表面 层组织中Ｔｉ—Ｎ化合物体积分数减小，硬度下降。增 大激光光斑尺寸，材料单位面积的激光功率下降， 相当于减小激光功率，氮化层深减小，表面氮化层 硬度下降。增加氮气送给量，氮化层深增加，表面层 组织中７ｎ—Ｎ化合物体积分数增加，氮化层硬度增加． 但是过大的流量会带走过多的热量，反而降低氮化 层的硬度和耐磨性。
陟，ｋ 貌的噩Ｃ因碳浓度的不同而具有不同的硬度，测试表
明：球状组织碳含量最高，其显微硬度也最高，其次 是发达树枝状组织，胞枝状组织最低，如图４所示。
聆～题讨论｝Ｉ激光焊接切割及激光焊缝跟踪
图３典型ＴｉＣ生长形貌的ＳＥＭ图
４５０ＨＶ
４７５ＨＶ
４２０ＨＶ
３８０ＨＶ 十宁花瓣 ●＿－＿＿－。＾。。。。●。●＿＿●＿——
向下降，形成了明显的ＴｉＮ／Ｔｉ梯度结构；而过渡区
的氮化物呈针状，认为是由于基体对过渡区的强烈
激冷作用造成的；氮化层与基体呈冶金结合［６１，如图 １所示。
节ｋ越讨论ｌｆ激光焊接切割及激光焊缝跟踪
图１纯钛的激光气体氮化ＳＥＭ组织
激光气体氮化可不同程度地提高钛及钛合金表 面硬度。图２是激光气体氮化处理后典型的表面硬 度一层深曲线结果同。氮化后的表面硬度２ ０００ ＨＶＱ２， 且氮化层的硬度随深度的增加而迅速下降，这与氮 化层的组织呈现明显的对应关系。在不同研究结果
作用和表面张力等物理现象，使材料表面仅在很短
时间（５０斗ｓ一２ ｍｓ）内就形成了具有要求深度和化 学成分的表面合金化层。这种合金化层因具有高于
基材的某些性能，所以可达到表面改性处理的目
的。根据外加合金元素的状态，钛及钛合金激光表面
合金化分为激光气体氮化和激光表面粉末合金化
两种。
｝
１．１．１激光气体氮化
在纯氮气气氛下对删合金和ＴＣ９钛合金进行
激光表面氮化，获得了以树枝状氮化钛为增强相的 耐磨复合材料改性层，涂层硬度１ ０００—１ ６００ ＨＶｌｌＯ－Ｕｌ。 采用５ ｋＷ的Ｃ０２连续激光、Ａｒ＋Ｎ２混合气体进行 操作，然后研究Ｔｉ一６Ａ１．４Ｖ的激光氮化层的组织和 耐磨性能，发现激光氮化层的硬度和耐磨损性能显 著提高，但激光氮化后的疲劳极限下降很多，并认 为主要是由于涂层中的硬脆相ＴｉＮ所占比例增大 引起韧性降低所致【１２１。
效途径。结合近年来激光表面改性处理的研究进展，综述了激光表面处理的影响因素，激光表面处理表 层的组织、性能及缺陷控制，并指出了目前存在的问题和今后研究的重点方向。
关键词：钛；激光；表面改性
中图分类号：ＴＧ４５６．７
文献标识码：Ｃ
文章编号：１００１—２３０３（２０１０）ｌ １－－００８５－－０６
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｔａｒｒ＂ａｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ＤＡＩ Ｊｉｎｇ－ｊｉｅ，ＧＵ Ｘｉａｏ—ｍｅｉ，ＺＨＵＡＮＧ Ｌｅｉ
第一类是与钛形成硬质陶瓷相的粉末。可以加 入合金元素、硬质陶瓷粉末或金属／陶瓷粉末复合材 料（如Ｃ，ＢＮ。ＳｉＣ，ＴｉＣ）。
第二类是与钛形成金属间化合物的粉末。主要 加入抗氧化性能优异的合金元素Ｓｉ，ＡＩ。如加Ｓｉ形 成Ｔｉ搏３，加Ａｌ形成ＴｉＡＩ、ＴｉＡｌ。
第三类是形成非晶涂层。 合金成分的选择主要决定于工件使用性能要 求以及合金化的工艺可能性。除此之外，还必须考 虑在激光作用下这些合金化材料在进入金属表面 时的行为及其与基体金属熔体的相互作用特征， 即它们之间的熔解、形成化合物的可能性、润湿性、 线膨胀系数和比热容等物理性能的匹配性，以保证 得到均匀、连续、无裂纹和孔洞缺陷的合金化层。 ＴｉＣ具有很高的熔点（３ ０５４℃），好的高温强度、
（Ｑｉｎｇｄａｏ Ｂｉｎｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ）
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一、
∥。懿 ｍ
Ａ］３ｓｉｒａｃｔ：Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓｕｃｈ ａ８ ｌｉｇｈｔ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｐｏｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅｉｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｈｃａｔｉｏｎｓ．Ｌｓ．ｓｅｒ ８１１ｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ。ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｎａｍｅｌｙ ｌａｇｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ．ＩｌｌＢｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ ａ糟ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｒｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ
万方数据
热稳定性和耐烧蚀性能，同时还具有高的弹性模量 （４４０ ＧＰａ）、硬度（常温下３ ２００ ＨＶ）和耐磨性，已用于 硬质合金材料。近年来，随着复合材料的发展，ＴｉＣ颗 粒作为增强体被广泛应用于增强金属复合材料和 陶瓷复合材料。Ｃｏｕｒａｎｔ等人１１７１用预涂Ｔｉ粉＋碳粉的 方法，进行纯钛表面的激光碳化，碳化后试样的摩 擦系数从０．６降到了０．４以下，耐磨性能明显提高。 对ＢＴ９钛合金进行激光碳合金化，在表面获得了树 枝状ＴｉＣ组织，涂层硬度明显提高（１８１。Ｃｈｅｎｔ２２］和田永 生【Ｉ９ｌ等人对激光碳合金化层中ＴｉＣ的生长形态和 形成机理进行了研究，发现在最初的结晶阶段，ＴｉＣ 的生长机理为粗糙界面的连续生长模式，而在凝固 后期则为光滑界面的侧向生长模式。ＳＥＭ分析结果 表明：合金化层中ＴｉＣ组织具有发达树枝状、胞枝 状、十字花瓣状和球状等形貌，如图３所示嗡。不同形
专瘩讨论
戴景杰等：钛及钛合金的激光表面改性研究现状
第１１期
可明显提高钛及钛合金的表面性能。在氮气环境下 进行钛合金表面加Ａｌ粉激光合金化的研究发现， 在整个合金化区内遍布着树枝状的ＴｉＮ、Ｔｉ２Ｎ和 Ｔｉ２ＡＩＮｔⅢ，在氮气环境下对纯钛激光碳合金化后，合 金化层内生成大量的ＴｉＮ和ＴｉＣ枝状晶【ｌ川；而对预 涂了ＴｉＮ粉末的纯钛进行气体氮化后，测得氮化层 厚度约２５０斗ｍ，其硬度范围为５５０－１ ７００ ＨＶ，摩擦 系数低于未氮化的基体【ｌ列。Ｆｕ等人【ｌｑ在纯钛和钛合 金表面预涂Ｎｉ和Ｃｒ的合金粉末后再激光氮化的 试验表明，氮化层内原位生成了大量的ＴｉＮ和Ｃｒ２Ｎ 等化合物，其滑动磨损抗力显著提高。
ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ；ｌａｓｅｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
０前言
钛及钛合金是２０世纪５０年代发展起来的一 种重要的金属材料，其主要特点是比强度高、耐腐 蚀、中低温性能好，同时还具有超导、记忆、储氢等 特殊性能，因而在航空、化Ｔ、电力、医疗等领域获 得日益广泛的应用，而且作为尖端科学技术材料，将 具有强大的生命力川。但是钛及钛合金表面硬度低， 在滑动摩擦条件下摩擦力学性能差，特别是摩擦和 磨损抗力相当低，严重限制了其应用范围翻。
第４０卷第１１期 ２０１０年１１月
雹珲梭
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ北ｈｉｎｅ
ＶｏＬ４０ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２０１０
钛及钛合金的激光表面改性研究现状
戴景杰。谷晓妹，庄 蕾 （青岛滨海学院，山东青岛２６６５５５）
摘要：硬度低、耐磨性能差是制约钛舍金发展的关键问题，而激光表面改性处理是解决这一问题的有
从事材料表面改性与强化的研究工作。
万方数据
理、表面合金化和表面涂层等技术，取得了较好的 效果。但多数传统表面化学热处理方法存在加热温 度比较高、热处理周期长、渗层薄、组织控制困难、 易引起工件变形和晶粒粗大、与基体结合力差、容易
开裂或剥落等弱点和不足。激光表面改性技术为钛及 孥一．、盈题讨论ｌ｜激光焊接切割及激光焊缝跟踪
况缸锄鳜Ｚ茹垆篇ｚＺ；．一 ·８５·
专置讨论
重晖拽
第４０卷
１．１激光表面合金化
激光表面合金化是指在高能量激光束的照射 下，使基体材料表面一薄层与根据需要加入的合金
元素同时快速熔化、混合。形成厚度为１０－１ ０００“ｍ 的表面熔化层，由于熔化层在凝同时获得的冷却速
度可达１０５～１０８℃／ｓ，另外熔化层液体内存在扩散
由于钛合金不能通过相变来大幅度提高其硬 度，因此，在金属构件整体性能满足服役条件下，利 用先进的表面技术对钛合金进行改性处理，赋予金 属表面高硬度、高耐磨损和良好的耐腐蚀性能是解 决此类问题的有效途径。为此进行了大量的钛合金 表面改性的研究工作，发展了钛合金表面化学热处
收稿日期：２００９－０６—２４；修回日期：２０１０－－０５—１５ 作者简介：戴景杰（１９７９叫．男．山东胶州人，讲师．硬士。主要
激光表面固体粉末合金化是采用激光将待处 理材料表面加热．基材与外加合金元素粉末一起熔 化混合，形成熔池，随后迅速凝同，在基材表面形成 新的合金层。钛及钛合金激光固体粉末合金化添加 粉末种类较多，添加方式主要有同步送粉法和预置 涂层法，一般大多采用涂刷、火焰及等离子喷涂等 预置涂层的方法。目前，在激光表面同体粉末合金 化时，添加到基体上的合金成分依据表面合金化层 组织可分为三大类：
钛合金的强化提供了一条新的途径。激光表面改性 技术克服了上述多数表面改性技术的不足，可获得 硬度高、摩擦系数小、耐磨、耐蚀和耐高温性能优异 的表面改性层，且涂层与基体之间为结合强度很高 的冶金结合，显著延长了钛合金构件的使用寿命。
１ 钛及钛合金激光表面改性研究
钛及钛合金表面的激光表面改性技术是目前 国内外材料领域的研究热点之一。虽然对其他金属 表面改性技术的研究已有多年的历史，但对钛及钛合 金表面的激光表面改性技术是最近几年才发展起来 的。钛及钛合金的激光表面改性技术大致可分为激 光表面合金化法、激光熔覆法和激光表面重熔法。
·一靼二…一彪学鳓名ｏ‰一
万方数据
中，由于激光气体氮化时工艺参数不同，形成的Ｔｉ— Ｎ化合物性质和体积分数也不同，表面氮化层的最 大硬度值相差较大。
２０００
１ ５００
岁
罢 毯 警
０ ０
２００
４００
６００
层抹，“ｍ
图２典型的激光气体氮化试样表面硬度一层深曲线
对激光氮化层的腐蚀研究表明，氮化层的腐蚀 抗力显著提高，在３．５％ＮａＣｌ溶液中氮化层的点蚀 抗力比纯钛及钛合金提高了１２倍阍。激光氮化的纯 钛和钛合金试样在７００℃下进行的氧化试验表明， 氮化层的抗氧化能力明显高于基体【９ｌ。
‰，
激光气体氮化是利用高能激光束在高纯氮气
鼽ｒ
澎么 气氛中对钛及钛合金进行表面熔化。氮气在高能激
光束辐照作用下与熔池中高温钛及钛合金金属液
发生强烈的化学／冶金交互作用，从而显著改变熔
池中金属液的化学成分和组成，快速凝同后最终获 得以硬质氮化钛为增强相的氮化层∞】。
对纯钛表而激光氮化的结果表明，工件表层氮 的浓度较高，形成的ＴｉＮ枝晶密度由表面沿深度方
虽然钛及钛合金激光气体氮化可获得高的表 面硬度，但表面较粗糙，表面硬度下降梯度极大（在 １００斗ｍ下降约一半），因此，在磨损、腐蚀等性能的 实际测试中均需对处理材料表面进行打磨，这在一 定程度上使所测试的磨损、腐蚀性能数据直接可比 性降低。同时，对于表面粗糙度要求高的钛及钛合 金构件而言，粗糙的高硬度表面不利于后续加工。 １．１．２激光表面粉末合金化
激光工艺参数对氮化层的性能有明显的影响。 在其他条件相同时，随着激光功率的增加，氮化层 硬度增加。激光扫描速度增加，氮化层深减小，表面 层组织中Ｔｉ—Ｎ化合物体积分数减小，硬度下降。增 大激光光斑尺寸，材料单位面积的激光功率下降， 相当于减小激光功率，氮化层深减小，表面氮化层 硬度下降。增加氮气送给量，氮化层深增加，表面层 组织中７ｎ—Ｎ化合物体积分数增加，氮化层硬度增加． 但是过大的流量会带走过多的热量，反而降低氮化 层的硬度和耐磨性。
陟，ｋ 貌的噩Ｃ因碳浓度的不同而具有不同的硬度，测试表
明：球状组织碳含量最高，其显微硬度也最高，其次 是发达树枝状组织，胞枝状组织最低，如图４所示。
聆～题讨论｝Ｉ激光焊接切割及激光焊缝跟踪
图３典型ＴｉＣ生长形貌的ＳＥＭ图
４５０ＨＶ
４７５ＨＶ
４２０ＨＶ
３８０ＨＶ 十宁花瓣 ●＿－＿＿－。＾。。。。●。●＿＿●＿——
向下降，形成了明显的ＴｉＮ／Ｔｉ梯度结构；而过渡区
的氮化物呈针状，认为是由于基体对过渡区的强烈
激冷作用造成的；氮化层与基体呈冶金结合［６１，如图 １所示。
节ｋ越讨论ｌｆ激光焊接切割及激光焊缝跟踪
图１纯钛的激光气体氮化ＳＥＭ组织
激光气体氮化可不同程度地提高钛及钛合金表 面硬度。图２是激光气体氮化处理后典型的表面硬 度一层深曲线结果同。氮化后的表面硬度２ ０００ ＨＶＱ２， 且氮化层的硬度随深度的增加而迅速下降，这与氮 化层的组织呈现明显的对应关系。在不同研究结果
作用和表面张力等物理现象，使材料表面仅在很短
时间（５０斗ｓ一２ ｍｓ）内就形成了具有要求深度和化 学成分的表面合金化层。这种合金化层因具有高于
基材的某些性能，所以可达到表面改性处理的目
的。根据外加合金元素的状态，钛及钛合金激光表面
合金化分为激光气体氮化和激光表面粉末合金化
两种。
｝
１．１．１激光气体氮化
在纯氮气气氛下对删合金和ＴＣ９钛合金进行
激光表面氮化，获得了以树枝状氮化钛为增强相的 耐磨复合材料改性层，涂层硬度１ ０００—１ ６００ ＨＶｌｌＯ－Ｕｌ。 采用５ ｋＷ的Ｃ０２连续激光、Ａｒ＋Ｎ２混合气体进行 操作，然后研究Ｔｉ一６Ａ１．４Ｖ的激光氮化层的组织和 耐磨性能，发现激光氮化层的硬度和耐磨损性能显 著提高，但激光氮化后的疲劳极限下降很多，并认 为主要是由于涂层中的硬脆相ＴｉＮ所占比例增大 引起韧性降低所致【１２１。
效途径。结合近年来激光表面改性处理的研究进展，综述了激光表面处理的影响因素，激光表面处理表 层的组织、性能及缺陷控制，并指出了目前存在的问题和今后研究的重点方向。
关键词：钛；激光；表面改性
中图分类号：ＴＧ４５６．７
文献标识码：Ｃ
文章编号：１００１—２３０３（２０１０）ｌ １－－００８５－－０６
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｔａｒｒ＂ａｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ＤＡＩ Ｊｉｎｇ－ｊｉｅ，ＧＵ Ｘｉａｏ—ｍｅｉ，ＺＨＵＡＮＧ Ｌｅｉ
第一类是与钛形成硬质陶瓷相的粉末。可以加 入合金元素、硬质陶瓷粉末或金属／陶瓷粉末复合材 料（如Ｃ，ＢＮ。ＳｉＣ，ＴｉＣ）。
第二类是与钛形成金属间化合物的粉末。主要 加入抗氧化性能优异的合金元素Ｓｉ，ＡＩ。如加Ｓｉ形 成Ｔｉ搏３，加Ａｌ形成ＴｉＡＩ、ＴｉＡｌ。
第三类是形成非晶涂层。 合金成分的选择主要决定于工件使用性能要 求以及合金化的工艺可能性。除此之外，还必须考 虑在激光作用下这些合金化材料在进入金属表面 时的行为及其与基体金属熔体的相互作用特征， 即它们之间的熔解、形成化合物的可能性、润湿性、 线膨胀系数和比热容等物理性能的匹配性，以保证 得到均匀、连续、无裂纹和孔洞缺陷的合金化层。 ＴｉＣ具有很高的熔点（３ ０５４℃），好的高温强度、
（Ｑｉｎｇｄａｏ Ｂｉｎｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ）
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一、
∥。懿 ｍ
Ａ］３ｓｉｒａｃｔ：Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓｕｃｈ ａ８ ｌｉｇｈｔ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｐｏｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅｉｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｈｃａｔｉｏｎｓ．Ｌｓ．ｓｅｒ ８１１ｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｎｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ。ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｎａｍｅｌｙ ｌａｇｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ．ＩｌｌＢｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ ａ糟ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｒｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ
万方数据
热稳定性和耐烧蚀性能，同时还具有高的弹性模量 （４４０ ＧＰａ）、硬度（常温下３ ２００ ＨＶ）和耐磨性，已用于 硬质合金材料。近年来，随着复合材料的发展，ＴｉＣ颗 粒作为增强体被广泛应用于增强金属复合材料和 陶瓷复合材料。Ｃｏｕｒａｎｔ等人１１７１用预涂Ｔｉ粉＋碳粉的 方法，进行纯钛表面的激光碳化，碳化后试样的摩 擦系数从０．６降到了０．４以下，耐磨性能明显提高。 对ＢＴ９钛合金进行激光碳合金化，在表面获得了树 枝状ＴｉＣ组织，涂层硬度明显提高（１８１。Ｃｈｅｎｔ２２］和田永 生【Ｉ９ｌ等人对激光碳合金化层中ＴｉＣ的生长形态和 形成机理进行了研究，发现在最初的结晶阶段，ＴｉＣ 的生长机理为粗糙界面的连续生长模式，而在凝固 后期则为光滑界面的侧向生长模式。ＳＥＭ分析结果 表明：合金化层中ＴｉＣ组织具有发达树枝状、胞枝 状、十字花瓣状和球状等形貌，如图３所示嗡。不同形