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。

ZHANG Guang-jun(2)指出由于覆层和基材之间实现了冶金结合, 即两种材料通过原子或分子间结合和交互扩散形成的结合。

在横截面上可明显见到结合带。

结合带中可见平面状外延生长现象和合金元素相互扩散现象。

通常结合带宽度以2-8um为宜, 过薄会影响结合带强度, 过厚会冲淡覆层合金成分, 改变覆层合金性能。

涂层材料
为了提高钛合金表面性能，人们通过激光融覆技术，在钛合金基体表面形成一层陶瓷-金属复合涂层。

通过激光融覆，可以原位合成如ＴＩＮ，ＴＩＣ，Ｔ
Ｉ３ＡＬ，ＴＩＢ和ＴＩ２ＮＩ３ＳＩ等材料。

在所有的原位合成强化材料中，ＴＩＢ和ＴＩＣ由于具有高的弹性模量，与钛合金密度相似，和钛合金基体有良好的共价键连接，因此被认为是两种最优的强化钛合金基体的材料（4）.激光涂层的材料多种多样。

Lun Li（5）用TI-B4C-AL或TI-B4C-C-AL粉末作为涂层的主材料。

通过XRD分析生成融覆层的化学成分，可知其通过原位合成反应生成了TiB-TiC。

融覆层主要由ɑ-Ti网状晶枝和共晶转变生成的大量的粗糙和良好针状的TiB颗粒，还有一些等轴晶体颗粒镶嵌其中。

同时，他们根据生成物结合相图分析可以确定其化学反应的四个过程。

L.N.Jian（6）用Cr-Ni-Si合金粉末作为涂层材料生成的抗磨损的Cr13Ni15Si2-基金属硅化物涂层的微观结构主要由Cr13Ni15Si2网状晶枝和小部分的伴随Cr13Ni15Si2/Cr3Ni15Si2晶枝构成。

其熔覆层在滑动磨损测试中表现了优异的磨损抗性。

Li Jianning（7）研究了Cu对激光复合涂层TiC/TiB/TiN 增强钛合金微观结构和磨损性能的影响。

用Fe/Al+B4C/SiC粉末涂层在钛合金表面，在保护气体Ni气环境可以很好地生成TiC/TiB/TiN强化复合层。

然而，由于熔覆层富含陶瓷材料，将会出现气孔和微裂纹。

因此，作者在混合粉末中加入Cu粉，使得熔覆层中生成了Ti3CuN/Ti2Cu/CuAl。

生成的Ti3CuN/Ti2Cu消耗了大量Ti，从而减少了陶瓷材料的生成，扩散率也随之减少。

熔覆层的结晶有更多的时间生成，气孔和微裂纹也减少了。

磨损率相比基材也较少7-8倍。

FENG Shu-rong（3）应用Ti+Ni+B4C粉末涂层通过激光熔覆，在Ti−6.5Al−2Zr−1Mo−1V合金表面形成TiB−TiC强化TiNi −Ti2Ni金属间化合物复合涂层。

结果表明，该熔覆层具有独特的显微组织，菊花状的TiB−TiC共晶均匀分布在TiNi−Ti2Ni双相金属间化合物基体中。

由于高硬、高耐磨TiB−TiC陶瓷相与高韧性TiNi−Ti2Ni双相金属间化合物基体的共同配合，激光熔覆涂层表现出优异的耐磨性。

总结
本文只是简要介绍了其基本原理以及人们在一些方向开展的研究。

如今，人们正在尝试更多的研究方法，从激光参数的选择，涂层厚度，涂层材料配比，新涂层材料的引入等等方法以期待更好地提高熔覆层的耐摩擦、耐腐蚀、耐热等性能。

从而可以极大地扩展了钛合金在工业领域的应用范围。

如果激光熔覆技术能够在我国得到普遍的应用，那么对于我国经济的发展将会起到不可估量的作用。

参考文献
[1]关振中．激光加工工艺手册[M]．北京：中国计量出版社，1998，265—302．
[2]张光钧, 吴培桂, 许佳宁, 朱屹峰, 吕灵宾.激光熔覆的应用基础研究进展,金属热处理，02546051(2011) 01000509.
[3]FENG Shu-rong, TANG Hai-bo, ZHANG Shu-quan, WANG Hua-ming.Microstructure and wear resistance of laser clad TiB−TiC/TiNi
−Ti2Ni intermetallic coating on titanium alloy,Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 1667−1673.
[4]D.Hill,R.Banerjee,D.Huber,et al.,Formation of equiaxed alpha in TiB reinforced Ti alloy composites,scripta Mater.,52(2005),p.387
[5]Jun Li,Zhi-shui Yu,Hui-ping Wang,and Man-ping Li.Microstructure evolution of titanium matrix composite coatings reforced by in situ synthesized TiB and TiC by laser cladding,Int. J. Miner.Metall. and Mater.,Vol.17,No.4,Aug 2010.
[6]L.N. Jian, H.M. Wang.Microstructure and wear behaviours of laser-clad Cr13Ni5Si2-based metal-silicide coatings on a titanium alloy,Surface & Coatings Technology 192 (2005) 305–310.
[7]Li Jianing, Chen Chuanzhong, He Qingshan.Influence of Cu on microstructure and wear resistance of TiC/TiB/TiN reinforced composite coating fabricated by laser cladding,Materials Chemistry and Physics 133 (2012) 741–745.。