材料腐蚀与防护作业：钛合金的激光表面处理技术

钛合金激光表面处理技术

Overview of laser surface treatment for

titanium alloys

学院：研究生学院

专业班级：材料工程201204班

学号：2012168

学生姓名：麻明章

任课教师：张松（教授）

2013年

目录

引言 (1)

1 钛合金的腐蚀行为及机理 (1)

1.1 钛合金的应力腐蚀机理 (2)

1.2 钛合金的孔蚀和缝隙腐蚀机理 (2)

1.3 钛合金的接触腐蚀机理 (3)

2 钛合金激光表面改性 (3)

2.1 激光表面合金化 (3)

2.1.1 激光气相合金化 (4)

2.1.2 激光固相合金化 (4)

2.2 钛合金激光熔覆处理 (5)

2.3 钛合金激光熔凝处理 (5)

2.4 钛合金的脉冲激光沉积处理 (6)

3 钛合金激光表面处理存在的问题及解决措施 (7)

4 总结与展望 (8)

参考文献： (9)

钛合金的激光表面处理技术

引言：钛是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有相对密度小、强度高、抗氧化和腐蚀性能好等特点被广泛应用于航空航天领域，被誉为“太空金属”[1]；它又具有优异的抗腐蚀能力、无磁性等，是一种优秀的舰船结构材料，被誉为“海洋金属”[2]；近年来，随着钛工业的不断发展，钛合金已经在民用领域中得到了广泛应用，如汽车、建筑、医用、体用品等方面，被誉为“全能金属”[3]。

但钛合金仍存在一些缺陷，由于易产生粘着性磨损，所以其在摩擦条件下的应用受到了限制。另外，钛合金在高温下的抗氧化和耐蚀性能也不理想，这是由于钛在高温下与氧的亲和力较高之故。表面处理可有效提高钛合金的性能。钛合金的表面处理大致经历了三个阶段：一是以电镀、化学镀、热扩散为代表的传统表面处理技术阶段; 二是以等离子体、离子束、电子束等的应用为标志的现代材料表面技术阶段; 三是各种表面处理技术的综合应用和膜层结构设计阶段［4］。

但传统的表面改性处理如渗碳、渗硼和渗氮等存在着处理周期长和工件易变形等缺点；热喷涂技术制备的涂层存在着组织结构疏松且与基体的结合力较弱等不足。由于激光束具有良好的相干性和方向性，故被广泛用于对各种金属材料的表面改性处理。因此，利用激光表面改性技术在钛合金表面形成耐磨、耐蚀或具有生物活性的表面层，便能弥补钛合金的不足。激光处理与传统的热处理方法相比有许多优点，包括工件畸变较小，基体对熔覆层的稀释度低，可较精确地控制处理层的宽度和深度，能够选择性地处理工件的特定表面。

1 钛合金的腐蚀行为及机理

钛合金腐蚀形式可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。局部腐蚀又分为应力腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀以及接触腐蚀等。一般而言，钛合金的成分、组织、晶粒度、晶体缺陷、性能、热处理以及表面状态等都会对其腐蚀行为和腐蚀程度产生不同的影响[5-6]。

1.1 钛合金的应力腐蚀机理

腐蚀和拉应力同时作用使金属产生破裂，称为应力腐蚀。大致过程为：金属表面生成的保护膜在拉应力的作用下产生局部破裂，产生孔蚀或缝隙腐蚀，孔蚀或缝隙腐蚀一方面向纵深发展；另一方面又由于拉应力的作用使缝隙两端的膜反复破裂，使腐蚀沿着与拉应力垂直的方向前进，形成裂缝，严重时导致断裂[6-8]。

钛合金的应力腐蚀( SCC )机理分为阳极溶解型和氢致开裂型两类。关于阳极溶解型应力腐蚀机理的最新研究表明，SCC发生时，随着表面钝化膜或疏松层的形成和保持，会产生一个很大的附加拉应力，从而在很低的外应力下，位错就开始发射和运动。当腐蚀致使局部塑性变形发展到临界状态时，局部区域(如无位错区或位错塞积群前端)的应力集中就等于原子键合力，从而导致SCC 微裂纹形核。由于介质的作用，这种微裂纹并不钝化成空洞，而是以解理方式扩展或沿晶界扩展，从而引起低应力脆断。氢致开裂型应力腐蚀涉及H+的迁移、H+的放电。吸附在金属表面的一部分氢原子复合成分子，并以气泡的形式逸出; 另一部分氢原子变成溶解型吸附原子，然后去吸附溶解在金属中的原子氢，在应力的作用下，富集在金属内部的应力集中区，导致金属材料低应力脆断[6]。

1.2 钛合金的孔蚀和缝隙腐蚀机理

孔蚀即腐蚀在钛合金孔内进行，是一种高度集中局部腐蚀形态，其破坏性比全面腐蚀大得多。这是因为若钛合金表面存在微小缺陷，在其微小缺陷处的金属电位低而成为阳极，且由于缺陷处面积小，腐蚀电流高度集中，腐蚀会迅速向内发展而形成蚀孔。蚀孔形成后，孔内氧消耗，进一步成为氧浓差电池的阳极，加速孔内腐蚀。另外，邻接蚀孔的表面由于产生阴极还原反应(获得阴极保护)而不受腐蚀，因此腐蚀在孔内进一步向纵深发展，而不在大面积上均匀进行[6,9-11]。这样小而深的孔可能最终使钛合金腐蚀穿孔，引起物料流失，严重时还可能会引起火灾、爆炸等事故发生，是破坏性和隐患极大的腐蚀形态之一。

腐蚀发生在缝隙内称为缝隙腐蚀，它的发生和发展的机理与孔蚀类似。当钛合金存在缝隙时，缝隙内缺少氧化性物质，从而使其成为阳极而迅速腐蚀。缝隙腐蚀常常发生在钛合金紧固件上，是由紧固件的几何原因、材料原因及所处环境

因素引起的[9]。

1.3 钛合金的接触腐蚀机理

钛合金在应用过程中将不可避免的与异种材料发生接触。在腐蚀介质中不同材料具有不同的电位。因此当钛合金与不同材料接触形成电偶时就会产生电流，从而造成或者加速腐蚀的进行。因此研究钛与异种材料之间的电偶腐蚀机理也是非常重要的。就腐蚀形式而言，接触腐蚀往往伴随着应力腐蚀、缝隙腐蚀和孔蚀等腐蚀形式发生。发生接触腐蚀时，钛合金大多都处于阴极状态，对钛合金来说不存在电偶腐蚀危险性，但必须对其它材料进行防护。影响电偶对阳极腐蚀速率的因素较为复杂，除了与组成电偶对阴、阳极材料本身性质（包括金属的自腐蚀电势、腐蚀电流、极化性能等）有关外，阳极溶解速率还受到阴、阳极金属材料表面积以及电解质溶液成分、温度和流速等因素的影响。电偶腐蚀的发生必须具备3个基本条件，即存在电位差、存在腐蚀电解液和导电介质。这3个条件只要使其中一个条件不存在，就可避免电偶腐蚀的发生[9,11]。

2 钛合金激光表面改性

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。

2.1 激光表面合金化

激光表面合金化是在基体的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基础的新的合金层，达到表面改性的目的。它是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝，从而使材料表面具有相当于高合金耐磨、耐蚀、耐热等特性的技术。

该方法具有以下优点：1)在金属零件的局部表面处理后能获得高级合金的性能；2) 改性层深度和宽度得到精密控制；3) 由于激光加热层温度梯度大，故结