钛合金激光熔覆的几种熔覆体系
TC4钛合金激光熔覆TiC+M涂层组织和耐磨性能研究
类 对 ＴＣ金属 陶瓷激 光熔 覆层 组织 、 度 和耐 磨性 能 ｉ 硬
的影响 ， 旨在 为钛合 金 表面激 光熔覆 涂层 材料 的选 择
奠 定基 础 。
ＮＣＢ ｉ 光 熔 覆 层 的 对 比 研 究 ， 示 了 粘 结 金 属 种 ｉｒＳ 激 揭
透射 电镜 分 析 熔 覆 层 的 微 观 组 织 。利 用 Ｈ Ｄ １０ Ｘ 一００ 型 显 微 硬 度 计 测 量 熔 覆 层 的硬 度 。 利用 Ｙ Ｈ Ｂ Ｔ Ｔ ． １０型 销一 式摩 擦 磨 损 试验 机 测 试 熔 覆层 的磨 损性 ０ 盘 能 ， 为 多道 搭 接 的激 光 熔 覆 试 样 ， 寸 为 ９ ｍ × 销 尺 ｍ １ ｍ 摩擦 表 面 经 磨 削加 工 ， 糙 度 Ｒ ５ ｍ， 粗 ＜０ ２Ｌ ， ．ｔｎ 盘 ｉ 为 Ｙ Ｓ 硬 质 合 金 （９ ５ Ｒ ， 寸 为 ＃ ０ ｍ × ＧＢ ８ ．Ｈ Ａ） 尺 ４ｍ
覆 层 的组 织 是 在 ｙＮ 树 枝 晶 和 ｙＮ ＋Ｍ ， ｃ ） －ｉ － ｉ （ ａ 共 晶 的 基 体 上 分 布 着 细 小 的 Ｔｃ颗 粒 和 Ｔｃ树 枝 晶。 ｉ ｉ
ＴＣ＋ ｉ 光熔 覆 层 的 显 微 硬 度 在 ５ Ｏ～７ ０ Ｖ之 间 ， 量 磨 损 率 约 为 Ｔ ４合 金 的 １ ； ｉ ｉ Ｔ激 Ｏ ０Ｈ 质 Ｃ １ ＴＣ＋Ｎ ＣＢ ｉ ３ ｉ ｒＳ 激 光 熔 覆 层 的 显 微 硬 度 在 ９ ０ １０ Ｖ之 间 ， 量 磨 损 率 约 为 Ｔ ４合金 的 １１ 。 Ｏ ～ｌ０ Ｈ 质 Ｃ ／０ 关 键 词 ： 合 金 ； 激 光 熔 覆 ； ＴＣ金 属 陶瓷 涂 层 ； 微 观 组 织 ； 耐 磨 性 能 钛 ｉ 中 图 分 类 号 ： Ｇ ５ ．９ Ｔ １ ６ ５ Ｔ １６９ ； Ｇ ６ ． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ —２ ４ ２０ ） １ ０ ６０ ０ ９ ６ ６ （ ０ ６ ０ — ９ —４ ０
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。
钛合金表面激光熔覆涂层的耐磨性能
钛合金表面激光熔覆涂层的耐磨性能杨胜群;孟庆武;耿林;吴林;李爱滨【摘要】为了提高钛合金的表面耐磨性能,采用MXP-2000型销盘式摩擦磨损实验机,以镍包石墨粉末为原材料,利用CO2激光器在TC4合金表面上熔覆耐磨涂层,进行钛合金及激光熔覆涂层的干摩擦磨损实验,并用扫描电镜对磨损表面进行观察和分析.实验结果表明,激光熔覆涂层的摩擦系数为0.56,与钛合金的摩擦系数基本相同,但激光熔覆涂层的磨损失重量比钛合金低接近一个数量级,说明激光熔覆涂层可以大大提高钛合金的表面耐磨性能.TC4合金的磨损机制以粘着磨损为主,激光熔覆涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,涂层的高硬度加上涂层里的TiC增强相是其耐磨性高的主要原因.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(031)005【总页数】3页(P473-475)【关键词】材料;耐磨性能;激光熔覆涂层;镍包石墨【作者】杨胜群;孟庆武;耿林;吴林;李爱滨【作者单位】哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;大庆石油学院,大庆,163318;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG665引言钛合金具有很高的比强度、很强的耐腐蚀性、优良的高温和低温性能，是航空和航天工业广泛使用的高性能材料。
但钛合金的摩擦系数大、耐磨性差[1]，极大地限制了其在工程上的应用范围。
多年来，材料工作者对提高钛合金耐磨性的表面涂层技术进行了广泛研究，如电镀[2]、热喷涂[3]、激光淬火[4,5]等。
激光熔覆技术是表面涂层技术的一种，其利用高能激光束将粉末原材料熔凝到金属表面上，得到不同于母材的增强涂层[6]。
用激光在钛合金表面熔覆一层增强涂层，能够显著提高其耐磨性能。
镍包石墨是一种以石墨为核心，表面包裹金属镍的双组份粉末材料[7]。
钛合金激光熔覆的几种熔覆体系
关于钛合金表面激光熔覆熔覆体系的总结概况钛合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料。
其中，自熔性合金材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金三大系列。
其主要特点是含有强烈脱氧和自熔作用的硼元素和硅元素。
这类合金在激光熔覆时，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆层表面形成薄膜。
这种薄膜既能防止合金中的元素被过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中的夹杂物和含氧量，易获得氧化物含量低、气孔率少的激光熔覆层。
硼和硅还能降低合金的熔点，改善熔体对基体金属的润湿能力，对合金的流动性及表面张力产生有利的影响。
自熔合金的硬度随合金中硼、硅含量的增加而提高。
这是由于硼、硅元素与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。
1.镍基合金粉末镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高。
镍基合金的合金化原理是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化,运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。
镍基自熔性合金粉末中各元素的挑选正是基于以上原则来选择的，而合金元素添加量则依据合金成形性能和激光熔覆工艺来确定。
目前，镍基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两种，前者硬度低，韧性好，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基础上加入适当的Cr而形成的。
Cr能溶于Ni中形成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性。
Cr还能与B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si 含量，可使熔覆层硬度从25HRC提高到60HRC左右，但熔覆层的韧性相应却有所下降。
这类合金中实际应用较多的是Ni60和Ni45。
另外，通过增加其成分中Ni的含量，可使裂纹率明显下降。
钛合金表面激光熔覆Ni基合金涂层中析出相热力学模拟计算
摘要 ： 采用横流 Ｃ Ｏｚ 激光器在 Ｔ Ｃ ４合 金 表 面熔 覆 Ｎｉ 基 合 金 涂层 ， 对 激 光 熔 覆 层 的微 观组 织 、 析出相、 各合金元素在７ 一 Ｎｉ 和 Ｍ２ ａ ｃ 相 中 含 量 变 化进 行 了研 究 。结 果 表 明 ， 熔覆层可分为三个区 ： 熔覆 区、 结 合 区 和基 体 热 影 响 区 。熔 覆 区 由７ 一 Ｎｉ ，
ｚ ｏｎ ｅ ｃ ｏ ｎｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ７ － Ｎｉ ，Ｔｉ Ｂ２ ，Ｔｉ Ｃ，Ｍ ２ ３ Ｃ６ ａ ｎｄ Ｎｉ ３ Ｂ ｐ ｈａ ｓ ｅ ｓ ．Ｔｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｅ ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｔｉ Ｂ２ ，Ｔｉ Ｃ ａ ｎ ｄ Ｍ２ ３ Ｃ６
３ ６
材 料 工 程 ／２ ０ １ ３ 年 １ Ｏ期
钛 合 金 表面 激 光 熔 覆 Ｎ ｉ 基 合 金 涂 层 中析 出相 热 力学模 拟计 算
Ｔｈ ｅ ｒ ｍｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｃａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ Ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｐ ｉ ｔ ａ ｔ ｅ ｄ Ｐｈ ａ ｓ ｅ ｉ ｎ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｃｌ ａ ｄ Ｎｉ Ｂａ ｓ ｅ Ａｌ ｌ ｏ ｙ
（ １ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｔｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｐｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，
Ｔｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ３ ８ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ
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固体自润滑涂层
钛合金表面激光熔覆固体自润滑涂层王培;叶源盛【摘要】综述了激光熔覆技术在钛合金表面制备固体自润滑涂层的研究现状.采用激光熔覆技术可以在钛合金表面制备出具有优异减摩性能的固体自润滑涂层,其减摩效果与所选用的激光器、熔覆材料的成分配比、添加剂的添加方式等有密切关系.最后指出了今后该技术的发展方向:①开发高水平的激光熔覆设备;②开发新型熔覆材料体系,使其能应用于不同的环境和很宽的温度范围中;③开发多层涂层、智能涂层(如自修复功能)和梯度涂层;④对激光表面熔覆处理过程进行数值模拟,实现激光熔覆过程的定量控制.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2015(032)004【总页数】5页(P8-12)【关键词】钛合金;表面改性;激光熔覆;自润滑涂层【作者】王培;叶源盛【作者单位】西北有色金属研究院,陕西西安710016;西北有色金属研究院,陕西西安710016【正文语种】中文钛的硬度低，耐磨性能差，在使用过程中由摩擦所导致的磨损失效是其应用的瓶颈。
虽然通过提高钛合金运动副的表面硬度，可以提高其耐磨性，但在很多情况下却会导致对磨件的严重磨损，危害更大。
在钛合金零件实际承受接触摩擦磨损的表面制备一层具有优异耐磨性能、低摩擦系数、与基体材料为可靠冶金结合的固体自润滑涂层，是解决钛合金磨损失效的有效方法［1］。
早期常见的固体自润滑涂层的制备工艺主要有化学镀、电镀、热喷涂、PVD、CVD等，存在的缺点为涂层较薄，且与基体机械结合，结合强度低，涂层受一定摩擦时易剥落，反而加速零件磨损。
目前较先进的制备工艺有等离子增强化学气相沉积、等离子辅助物理气相沉积、非平衡磁控溅射、超音速火焰喷涂等，虽然在很大程度上提高了涂层的组织致密性，减少了裂纹、孔洞等缺陷，但是这些方法与早期传统制备工艺存在同样的缺点，即涂层与基体属机械结合，结合强度低，可靠性差［2］。
激光熔覆技术用于制备固体自润滑涂层的时间较短，但其拥有独特的优点，如能量密度高、热影响区小、厚度可控、熔覆层致密，特别是熔覆层与基材实现冶金结合、可以选择性的处理工件特定表面等，被认为是目前最具发展前景的技术之一。
钛合金表面激光熔覆高熵合金
钛合金表面激光熔覆高熵合金钛合金是一种广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗器械等领域的重要结构材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。
然而，钛合金在一些极端环境下，如高温、高压、强腐蚀性环境下，仍然面临着一定的挑战。
为了进一步提升钛合金的性能，可以通过激光熔覆技术在其表面涂覆高熵合金。
高熵合金是近年来发展起来的一种新型材料，由于其具有高度均匀的成分分布和一定的稳定性，逐渐受到工程界的关注。
高熵合金由多种元素组成，相较于传统合金，高熵合金的成分比较复杂，因而具有非常特殊的结构和性能。
高熵合金具有较低的热传导率、高的熔点和较好的耐腐蚀性能，这些特点使得高熵合金在面对极端环境时具有更好的表现。
激光熔覆技术是一种将激光束、高能密度激光束照射于特定材料表面，使其迅速熔化并与基材混合的方法。
激光熔覆可以在钛合金表面形成一层非常薄的高熵合金涂层，从而能够改善钛合金的性能。
激光熔覆的优点在于能够选择多种不同元素的粉末作为原材料，通过调整熔覆工艺参数，实现合金材料的多种组分优化。
钛合金表面激光熔覆高熵合金的方法一般分为两步。
首先，在钛合金表面预先涂覆一层高熵合金原材料的粉末。
随后，利用激光束对涂层进行熔覆。
激光的高能量密度可以将粉末迅速加热熔化，形成液态合金，并与钛合金基材发生冷凝反应。
熔覆过程中，粉末中的元素会与基材中的元素发生扩散，形成均匀的合金结构，并与基材牢固结合。
因此，激光熔覆技术可以在表面形成一层具有高熵合金结构的涂层。
通过激光熔覆高熵合金在钛合金表面形成的涂层，具有很多独特的性能优势。
首先，高熵合金涂层具有较低的热传导率，可以有效降低热应力和热疲劳现象的发生，提高材料的热稳定性。
其次，高熵合金涂层具有很高的熔点，可以保护钛合金基材免受高温腐蚀的侵蚀。
此外，高熵合金涂层还具有较好的耐腐蚀性能，可以有效抵抗强腐蚀性介质的侵蚀。
最后，高熵合金具有高硬度和较好的耐磨性能，可以提高钛合金的抗磨损性能。
总的来说，钛合金表面激光熔覆高熵合金是一种有效提高钛合金材料性能的方法。
钛合金表面激光熔覆TiN Ni基合金复合涂层的组织和磨损性能
第ｌ期 １月
稀有金属材料与工程
ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
、，ｂｌ－３６．Ｎｏ．１
Ｊａｎｍ叮２００７
钛合金表面激光熔覆ＴｉＮ．Ｎｉ基合金 复合涂层的组织和磨损性能
孙荣禄１，一，牛伟１，王成扬２
（１．天津工业大学，天津３００１６０） （２．天津大学，天津３０００７２）
３．１ ３Ａｌ，２．３３Ｖ，２８．２５Ｎｊ，２．９４Ｃｒ，０．５２Ｓｉ，６．７２Ｆｅ。
第ｌ期
孙荣禄等：钛合金表面激光熔覆ＴｉＮ—Ｎｉ基合金复合涂层的组织和磨损性能
·９·
由此可见，稀释区为基底Ｔｃ４合金和熔覆材料 ＮｉＣｒＢｓｉ合金的混合凝固区。稀释区的存在使熔覆层 与基底之间形成了一个成分介于二者之间的过渡区 域，这对于降低熔覆层中的热应力，防止熔覆层开裂 是十分有益的。
自２０世纪７０年代中叶大功率激光器投入工业使 用以来，激光表面改性技术得到了迅速发展，尤其是 激光熔覆陶瓷涂层将金属材料的强韧性与陶瓷材料的 高硬度、高化学稳定性有机地结合在一起，能够显著 提高机械零件的耐磨［卜６１、耐蚀‘７Ｊ和抗氧化［８Ｊ性能。如 Ｍｏｌｉａｎ等［４】在Ｔｉ一６Ａ１．４Ｖ合金表面激光熔覆ＢＮ和 ＢＮ．ＮｉＣｒＣｏＡｌＹ涂层，熔覆层的硬度在８００ ＭＰａ￣１ ２０００ ＭＰａ之间，磨损率比时效硬化和激光熔凝的钛合 金降低１～２数量级。Ａｙｅｒｓ【５】考察了钛合金表面激光熔 覆ＴｉＣ和ｗＣ涂层的磨损行为，结果表明熔覆层的耐 磨性能与碳化物颗粒的类型、尺寸和加入量密切相关。 对ＴＣ４合金表面激光熔覆ＮｉＣｒＢＳｉ合金涂层的研究结 果表明，在激光熔覆过程中由于基底材料和熔覆材料 的相互作用使熔覆层中原位合成了ＴｉＣ和ＴｉＢ２颗粒， 但ＴｉＣ和ＴｉＢ２颗粒的体积分数较低，为了进一步增加 熔覆层中增强颗粒的体积分数，本研究采用“外加法” 制备３３％（体积分数）ＴｉＮ—Ｎｉ基复合涂层，研究了涂层
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
激光融覆钛合金表面研究综述
文献综述激光融覆钛合金表面研究综述摘要：介绍了激光熔覆的基本原理，熔覆层的特点。
基于不同涂层材料进行的研究，以及熔覆层摩擦学性能的实验研究。
同时介绍了激光熔覆钛合金的工业应用。
关键字：激光熔覆；熔覆层；摩擦学性能；钛合金激光熔覆，就是以激光作为热源，用不同的添料方式在被熔覆的基体上放置所选择的涂层材料，经过激光照射使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的工艺方法（1）。
激光表面处理可通过相变强化、熔凝、冲击强化等工艺来改变基材表层的显微组织及结构, 也可以通过熔覆及合金化等处理技术来同时改变基材表层的化学成分和显微组织及结构, 从而同时或分别提高金属材料及零部件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性和高温性能, 其中激光熔覆及合金化具有较大的工业应用价值及发展潜力, 受到较大的关注。
（2）钛合金具有低密度，高强度，理想的抗腐蚀和高温机械性能，因此广泛用于航空，机械，石油化工等领域。
但是，它的不理想的摩擦学特征，大大限制了它的应用范围。
如今，增强钛合金表面的摩擦性能，扩展它的工业应用范围的最有效的方法之一，就是用激光在钛合金零件表面融覆一层高硬度,高磨损抗性的涂层（3）。
随着研究的深入，越来越多的涂层材料，应用到钛合金的表面融覆当中，大大地提高了钛合金的工业应用范围。
在此我将对激光融覆钛合金表面性能的相关研究做一个大致的探讨。
主题激光熔覆的特点激光熔覆的涂层类型主要有耐磨涂层、耐蚀涂层和热障涂层3大类。
由于激光熔覆是近似于绝热的骤热骤冷过程, 和其他常规表面改性技术相比, 它具有无可比拟的优良特性:①熔覆层具有细小晶粒、致密结构和较均匀的化学组成;②能够实现对能量和品质的精确控制, 对基体的热影响小, 热输入和热畸变小,涂层稀释率低(一般小于5w%t ), 与基体呈良好的冶金结合且保持基材的原始性能;③熔覆材料的选择范围相当广泛, 包括镍基、钴基和铁基合金、碳化物复合合金以及氧化物复合合金等,特别是可在低熔点基材表面熔覆高熔点合金;④激光光斑通过导光系统可进行光束处理, 从而可以进行选区熔覆, 特别适合小区域和难以接近区域的改性需求, 材料消耗少, 具有卓越的性能价格比;⑤可以通过计算机控制, 实现激光熔覆工艺参数智能化和工艺过程自动化。
TC4钛合金单道激光熔覆的工艺研究
ＴＣ４合金具有 比强度高 、耐蚀性好 、高低温性能好等优 点 ，
钛合金表面激光熔覆原位合成TiBTiB2Ti复合材料涂层
—————————钛合金表面激光熔覆原位合成ＴｉＢ＋ＴｉＢ：／Ｔｉ复合材料涂层蔡利芳等——公式（７）中的Ｃ“为恒压摩尔热容，其中口ｉ，ｂ；，ｃ；，ｄ；为物质ｉ的特性常数。
对于任何一个化学反应其吉布斯自由能变化的计算公式可表示为：ＡＧ＝Ｇ产物一Ｇ反应物（８）利用文献［９，１０］中的热力学数据，按照上面给出的公式计算了上述化学反应的吉布斯自由能ＡＧ，计算结果见图１。
由图可知，三个反应的吉布斯自由能变化△Ｇ均为负值，说明在激光熔覆过程中，上述三个反应均可能发生。
同时，由于反应（２）的吉布斯自由能变化值最低，因此在Ｔｉ—Ｂ材料系统中生成ＴｉＢ：的倾向最大，但是当有过量Ｔｉ存在时，先生成的ＴｉＢ：将会与过量的Ｔｉ发生式３所示的反应，形成ＴｉＢ，因此激光熔覆结果中会存在ＴｉＢ和ＴｉＢ２两种增强相。
０－６０．１２０・１Ｂ０—２４０－３０００５００１０００１５００２０００２５００眦２０３０４０５０６０７０８０９０１００１ｌＯ２０／（‘）图２激光熔覆涂层Ｘ射线衍射谱图３为激光熔覆层横截面的组织，从图中可知，在两种不同比例混合粉末条件下，激光熔覆层均与基体形成了良好的冶金结合，激光熔覆层内部组织致密，反应生成的增强相均匀地分布在钛合金基体中。
随着Ｂ粉含量的增加（见图３ｂ），熔覆层中形成的增强相增多。
由于试验中预置粉末层较厚，在结合界面处由于激光能量不足存在少量的未完全反应的Ｂ颗粒（图３ａ中箭头所示）。
在图３ａ中界面附近出现未形成增强相颗粒的区域（Ａ），是由于表面部分熔化的钛合金粉末颗粒未及参与激光熔池的物理冶金过程所致。
图１式（１）式（２）和式（３）的Ｇｉｂｂｓ自由能ＡＧ随温度的变化２．２微观组织和相分析（ａ）ｎ—ＩＢ（”Ｔｉ－２Ｂ单道激光熔覆带表面光滑，均匀致密，无裂纹，宽约４．５ｍｍ，厚约１．５ｍｍ。
图２是Ｔｉ－２Ｂ混合粉末经激光图３激光熔覆层横截面的宏观形貌熔覆后熔覆层的ｘ射线衍射分析结果，由图２可知，熔（Ｐ２１．５ｋＷ，Ｖ＝５。
TC4合金表面激光熔覆Ni60A-TC4工艺及熔覆层组织性能研究
TC4合金表面激光熔覆Ni60A-TC4工艺及熔覆层组织性能研究TC4合金是一种近几十年来应用十分广泛的钛合金材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，在航空航天工业和生物医学领域得到了广泛的应用。
然而，由于其低摩擦系数和高耐磨性能不够理想，限制了其在一些特殊应用领域中的进一步发展。
因此，采取一些方法来提高TC4材料的表面性能显得尤为重要。
激光熔覆技术是一种将功能薄片材料熔融状况下喷射并溅射在基体表面形成覆层的表面改性方法。
本研究采用激光熔覆技术将Ni60A合金喷射并溅射在TC4合金表面，以提高其表面性能。
Ni60A合金是一种非常常见的耐磨材料，具有良好的抗磨损和耐腐蚀性能，可以提高基体的表面硬度和耐磨性能。
实验过程中，首先对TC4合金和Ni60A合金的组织结构进行了表征。
结果表明，TC4合金由α相（钛基体）和β相（钛基体中的β晶粒）组成，而Ni60A合金则由单一的亚晶组织结构组成。
在激光熔覆前，基体表面进行了预处理，包括抛光和清洗以去除表面的氧化物和杂质。
接下来，通过调节激光功率和扫描速度等工艺参数，进行了一系列激光熔覆实验。
实验结果显示，熔覆层的结构和性能受到工艺参数的明显影响。
当激光功率为800W，扫描速度为150mm/s时，可以获得具有较好组织性能的熔覆层。
此时，熔覆层表面呈现出细小的弥散晶体结构，与基体之间形成了良好的结合。
熔覆层表面硬度明显提高，并且呈现出良好的耐磨性能。
进一步对熔覆层的组织性能进行了研究。
结果表明，熔覆层中主要含有亚晶，晶界和耐磨碳化物。
这些特殊结构提高了熔覆层的硬度和耐磨性能。
此外，熔覆层中的亚晶还能够吸收和消散冲击载荷，从而提高了材料的抗冲击性能。
综上所述，本研究通过将Ni60A合金激光熔覆在TC4合金表面，能够显著提高其表面硬度和耐磨性能。
通过调节激光熔覆工艺参数，可以获得具有良好组织性能的熔覆层。
此外，研究发现熔覆层中含有亚晶、晶界和耐磨碳化物等特殊结构，这些结构对提高熔覆层的性能也起着重要作用。
激光熔覆ta15热处理工艺
激光熔覆ta15热处理工艺激光熔覆Ta15热处理工艺钛合金是一种广泛用于航空、航天、船舶等领域的重要结构材料。
其中，钛铝合金(Ta15)是广泛应用的一种材料，具有高强度、高韧性、低密度等优异特点。
然而，随着工程应用的逐步提高，其更高的性能和功能要求逐年提高，这就需要采用适当的热处理工艺来提高其性能。
钛铝合金通过激光熔覆热处理工艺的研究曾表明，该过程能有效地提高其性能，本文就激光熔覆Ta15热处理工艺这一话题进行阐述。
一、激光熔覆在Ta15热处理中的应用激光熔覆技术是现代制造工艺领域中的一项重要技术，主要特点是在其作用下，热处理区域能够达到极高的温度，从而使材料出现液态状态，并在短时间内获得均匀而细小的晶粒结构。
激光熔覆Ta15热处理工艺中，激光能量的控制是关键因素，如果激光能量过高，会导致热影响区周围出现过热现象，从而影响加工质量；如果激光能量过低，则热影响区域内部晶粒无法均匀结晶，影响了加工的效果。
因此，为了提高激光熔覆热处理效果，必须设计出合理的工艺参数，如激光照射面积、照射时间、激光光斑大小、轨迹等，从而实现最佳加工效果。
二、激光熔覆Ta15热处理工艺的优点1. 提高材料性能：通过激光熔覆Ta15热处理工艺，可以大幅度提高其性能和功能，例如提高其强度、延展性和韧性等。
2. 减少工艺污染：激光熔覆Ta15热处理工艺不需要额外的化学处理，可以避免化学工艺对环境造成的污染或对材料性能造成的不利影响。
3. 加工效率高：与传统的热处理工艺相比，激光熔覆热处理工艺具有更高的加工效率，可以在较短时间内完成加工过程。
三、激光熔覆Ta15热处理工艺的发展趋势随着科技的创新与发展，激光加工技术在短时间内得到了长足的发展，进一步提升了激光熔覆Ta15热处理技术的应用。
目前，有许多研究人员正在进行关于激光熔覆Ta15热处理工艺的技术创新与飞跃，其中比较热门的研究方向包括新型的激光材料加工设备，以及多重激光照射技术等，这些技术的应用将使激光熔覆Ta15热处理工艺更加高效、节能。
钛合金表面激光熔覆 Co-WC 复合涂层的组织及力学性能
钛合金表面激光熔覆 Co-WC 复合涂层的组织及力学性能李春燕;寇生中;赵燕春;袁小鹏;袁子洲【摘要】在钛合金 TC4(Ti-6Al-4V)表面利用激光熔覆 Co-WC 复合涂层,利用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和硬度计研究涂层的微观组织及力学性能.结果表明,Co ＋15％ WC、Co ＋30％ WC 及 Co ＋45％WC 试样熔覆层与基体都实现了冶金结合,表层激光熔覆层涂层内组织均匀致密,没有气孔、裂纹等缺陷.而 Co＋60％WC 试样虽然熔覆层与基体界面也为冶金结合,但是熔覆层内发生了开裂.激光熔覆 Co-WC复合熔覆层的宏观洛氏硬度较 TC4基体提升了2~3倍,合金粉末中WC 的含量比例越高,熔覆涂层试样的宏观洛氏硬度的提升越明显.4种熔覆试样从基体到熔覆层表面,其显微硬度都是逐渐升高的趋势,熔覆层表面显微硬度达到 TC4基体的显微硬度的近 3倍.在 Co 基合金粉末中添加 WC 的最大含量为45％,高于45％之后,熔覆层显微硬度值下降.%The Co-WC composite coatings were fabricated by laser cladding on titanium alloy TC4 (Ti-6Al-4V)surface.Microstructure and mechanical property were studied by scanning electron microscope(SEM),energy dispersive spectrometer(EDS)and sclerometer.The results indicate that metallurgical combination are imple-mented between coatings and substrates of Co+ 15%WC,Co+30%WC and Co+45%WC samples,and uni-formity and compact microstructure are showed without pore and cracking flaws.Cracking flaws were discov-ered in cladding layer of Co+60%WC sample,though metallurgical combination was realized between the coat-ing the substrate.Macrorockwell hardness of Co-WC composite coatings were increased by 2-3 times than TC4 substrate,and the value increases more obviously along with the increasingof the content of WC in alloy pow-der.For four cladding samples from the substrate to the surface of cladding layer,the microhardness was gradu-ally increased,and the microhardness value of the cladding layer were nearly three times higher than TC4 sub-strate.Maximum content of WC added in the Co base alloy powder was 45%,when the content was higher than 45%,microhardness of the cladding layer was decreased.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P7025-7029)【关键词】钛合金;激光熔覆;钴基合金粉末;组织;硬度【作者】李春燕;寇生中;赵燕春;袁小鹏;袁子洲【作者单位】兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050; 兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050; 兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050; 兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050;兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050; 兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TG1131 引言钛合金是一种新型的工程材料，具有一系列的优点，如比强度（抗拉强度／密度）高，机械性能好，韧性和抗蚀性能好等，应用前景涉及化工、石油、轻工、冶金、发电、体育、医疗等许多工业领域，特别是在航空航天和军事工业领域有着广阔的应用前景［1－5］。
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关于钛合金表面激光熔覆熔覆体系的总结
概况
钛合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料。
其中，自熔性合金材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金三大系列。
其主要特点是含有强烈脱氧和自熔作用的硼元素和硅元素。
这类合金在激光熔覆时，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆层表面形成薄膜。
这种薄膜既能防止合金中的元素被过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中的夹杂物和含氧量，易获得氧化物含量低、气孔率少的激光熔覆层。
硼和硅还能降低合金的熔点，改善熔体对基体金属的润湿能力，对合金的流动性及表面张力产生有利的影响。
自熔合金的硬度随合金中硼、硅含量的增加而提高。
这是由于硼、硅元素与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。
1.镍基合金粉末
镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高。
镍基合金的合金化原理是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化,运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。
镍基自熔性合金粉末中各元素的挑选正是基于以上原则来选择的，而合金元素添加量则依据合金成形性能和激光熔覆工艺来确定。
目前，镍基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两种，前者硬度低，韧性好，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基础上加入适当的Cr而形成的。
Cr能溶于Ni中形成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性。
Cr还能与B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si 含量，可使熔覆层硬度从25HRC提高到60HRC左右，但熔覆层的韧性相应却有所下降。
这类合金中实际应用较多的是Ni60和Ni45。
另外，通过增加其成分中Ni的含量，可使裂纹率明显下降。
原因在于Ni是一种强扩大奥氏体（γ）相区元素，增加合金中Ni含量，会使韧性相增加，从而增加了熔覆层的塑韧性；Ni含量的增加
也降低了熔覆层的热膨胀系数，从而降低了熔覆层的残余拉压力，可显著减少裂纹率和缺陷的产生。
但Ni含量并不是越多越好，过高的Ni含量将会损害熔覆层的硬度，使熔覆层达不到所需性能。
2.钴基合金粉末
钛合金表面激光熔覆钴基合金粉末具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性能。
目前，激光熔覆用钴基自熔合金粉末是在Stellite合金的基础上研制的,合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C，此外添加B和Si增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金。
但B含量过多会增加合金的开裂倾向。
钴基合金具有良好的热稳定性，在熔覆时很少发生蒸发升华和明显的变质；另外，钴基合金粉末在熔化时具有很好的润湿性，熔化后在钛合金表面均匀铺散，有利于获得致密性好和光滑平整的熔覆层，提高了熔覆层与基体材料的结合强度。
由于钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W，因此它具有良好的高温性能和综合力学性能。
Co与Cr可生成稳定的固溶体，由于含碳量较低，基体上弥散分布着亚稳态的Cr C 、MC和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物，导致合金具有更高的红硬性、高温耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。
3.铁基合金粉末
钛合金表面激光熔覆铁基合金粉末适用于易变形、要求局部耐磨的零件。
其最大优点是成本低且抗磨性能好，但熔点高，合金自熔性差，抗氧化性差，流动性不好，熔覆层内气孔夹渣较多，这些缺点也限制了它的应用。
目前，Fe基合金熔覆组织的合金化设计主要为Fe-C-X（X为Cr、W、Mo、B等），熔覆层组织主要由亚稳相组成，强化机制为马氏体强化和碳化物强化。
附表自熔性合金粉末体系的特点
4.复合粉末
钛合金表面在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co 基、Fe基自熔性合金已不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属陶瓷复合涂层。
其中，碳化物（WC、TiC、SiC等）和氧化物（ZrO 和Al O 等）研究和应用最多。
陶瓷材料在钛合金熔体中的行为特征有：完全溶解、部分溶解、微量溶解。
其溶解程度主要受陶瓷种类、基体类型控制，其次是激光熔覆的工艺条件。
在激光熔覆过程中熔池在高温存在的时间极短，陶瓷颗粒来不及完全熔化，熔覆层由面心立方的γ相（Fe、Ni、Co）、未熔陶瓷相颗粒和析出相（如MC、M C 等）组成。
激光熔覆层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。
实例
(一)
通过在钛合金表面激光熔覆原位TiC或（TiB+TiC）增强的钛基复合材料涂层可以在提高钛合金表面硬度和耐磨性的同时，保证涂层材科与基体的良好适配。
（二）
钛合金表面激光熔化沉积不同比例的Ti-Cr二元合金，制备具有较高硬度与基体良好匹配的表面改性涂层。