鈦合金材料不僅質量輕，而且其綜合力學性能好、耐蝕性能強，可作為飛機起落架、機匣等零部件的原材料。但是鈦合金普遍硬度低，在使用過程中容易產生粘著磨損、磨粒磨損等，限制了其使用范圍和發(fā)展。激光熔覆技術是改善鈦合金材料表面性能的先進制造技術之一，相對電鍍、化學鍍、熱浸鍍等傳統(tǒng)工藝有著很多的優(yōu)勢。通過同步送粉或預置熔 覆材料的方式，利用激光束的瞬間加熱功能，熔覆材料和基體合金表面薄層達到金屬熔點以上，迅速熔化發(fā)生冶金結合，又快速凝固制備出一層較薄的高強度涂層，來達到表面改性的目的[1]。利用熔覆技術不僅可以制備高強度防護涂層，還可以實現(xiàn)各類金屬零件的制造、修復和連接[2]。

一、鈦合金表面激光熔覆涂層材料

（一）陶瓷材料涂層

通過激光束的瞬間加熱功能在鈦合金表面制備出較薄的陶瓷涂層，可以達到冶金連接的效果。陶瓷材料本身硬度高，涂層組織穩(wěn)定、與基材結合性好，涂層不僅表面硬度高，其耐磨性和抗高溫性能相對基體材料有明顯的優(yōu)勢，對鈦合金材料起到了非常好的保護作用[3]。劉均環(huán)[4]利用激光熔覆技術在鈦合金表面制備了生物陶瓷涂層，并對熔覆層進行了熱處理。他發(fā)現(xiàn)當激光功率為0.9 kW、掃描速度為14mm/s 時，涂層性能較好；在熔覆層中添加3wt.%的CaB6 可顯著提高涂層表面硬度，相對基體鈦合金材料可提高大約2.8 倍，而且耐腐蝕性能得到了大幅度提升。當CaB6 的質量分數(shù)增加到5wt.%時，涂層中部顯微組織由雜亂無序樹枝晶轉變?yōu)槌室?guī)則排列的樹枝晶。后期又對該試樣涂層進行了700℃保溫3h 的熱處理，但導致了熔覆層裂紋的產生。究其原因可能是熱處理導致涂層內部應力增大，從而產生出現(xiàn)縱向裂紋和孔洞，涂層脫落而失效。另一方面熱處理促使內部枝晶組織變得粗大，而降低涂層的顯微硬度、耐腐蝕性和生物活性。

（二）復合材料涂層

陶瓷材料作為鈦合金表面熔覆材料雖然組織穩(wěn)定、硬度高、抗高溫性能好，但是一般陶瓷材料與鈦合金基體之間的潤濕性差，容易產生裂紋和孔洞等缺陷。復合涂層既保證了金屬材料良好的力學性能，又能展現(xiàn)出陶瓷材料突出的高硬度和高溫性能，日益受到學者們的廣泛關注[5]。何斌鋒[6]采用同軸送粉方式在TC4 合金表面激光熔覆了NiCrAl+TiC復合涂層。研究發(fā)現(xiàn)：熔覆層中存在TiC、NiTi₂、Cr0.2Ti0.8C、VC 等金屬間化合物和陶瓷相，表面硬度得到大幅度提升，同時磨損率也明顯下降，耐磨性得到改善。當TiC 粉末含量較少時，熔覆層中存在金屬間化合物和陶瓷相，但是TiC 磨損過程中產生磨粒磨損而部分脫落，耐磨性較差。當TiC 含量逐漸增大時，在已生成的組織上面又形成了新的細小相NiTi₂，同時還出現(xiàn)了多種陶瓷相，表現(xiàn)出良好的耐磨性。王阿敏[7]等采用激光熔覆技術在TC4 鈦合金表面預置混合粉末制備了復合涂層。研究發(fā)現(xiàn)：熔覆層的主要相為TiB、TiB₂、TiC 等硬質陶瓷相和Ti-Al金屬間化合物，涂層硬度高、耐磨性好。當預置粉中C 含量為5%時，涂層顯微組織中TiC 容易形核和生長，TiC 含量隨之增多，顆粒細小且分布均勻，同時板條狀組織略微減少。當預置粉中C含量為8%時，由于C含量過多，較多的碳化物相互生長形成粗大的晶粒組織。不同體積分數(shù)的預置粉末直接影響了涂層最終的性能，其中C 含量為5%時，可獲得綜合力學性能最好的涂層。

（三）涂層中添加增強相

稀土元素本身晶粒細小，經常作為增強相來提高材料的性能。在激光熔覆制備涂層時添加適量稀土元素可以增加涂層韌性，也可以增加防止裂紋擴展的阻力，有效阻礙裂紋生長和擴展，裂紋的減少既能防止涂層脫落也可以提高涂層的耐腐蝕性。崔朋賀[8]等采用激光熔覆技術在鈦合金表面制備的復合涂層中添加了稀土元素，通過實驗研究認為添加Y2O3可以減少涂層中的氣孔和雜質等缺陷，同時起到了促進形成增強相的作用。同時涂層與基體結合良好。當添加質量分數(shù)１％的Y2O3時，增強相含量明顯增多而且發(fā)現(xiàn)組織得到細化，變得均勻細小，魚骨狀增強相轉變?yōu)轭w粒狀，復合涂層的平均斷裂韌度大幅度提高。當添加的Y2O3 質量分數(shù)為2％，增強相TiC 呈類似花狀的組織，涂層的平均斷裂韌度 卻下降了很多。當添加質量分數(shù)3％ 的Y2O3 時，Y2O3沒有完全溶解，最終以大塊的白色夾雜存在與顯微組織中，涂層表面處的斷裂韌度有一定程度的提高，涂層中部的斷裂韌度卻很差。

二、不同激光參數(shù)對涂層表面組織及性能的影響

（一）激光功率

適當?shù)募す夤β适菦Q定激光熔覆層性能的關鍵因素之一。激光功率太低時，熔覆層與基體的冶金結合效果較差，其力學性能就不是很好；當激光功率過高時，部分熔覆粉末會瞬間“汽化”，涂層孔隙率超出其范圍，就很容易產生裂紋，嚴重降低了熔覆層的使用性能。因此，在激光熔覆過程中，激光功率的大小越來越受到學者們的廣泛關注。

邱瑩[9]等在TC4 合金表面熔覆了Ti40 阻燃鈦合金涂層。研究了不同激光功率是否導致涂層的成分和硬度發(fā)生的變化。隨著激光功率的增大，熔覆層高度逐漸增加，表層的等軸晶層厚度也隨之增加，中部組織由軸柱狀晶轉變?yōu)榇执蟮闹鶢罹А：毫羀10]等研究了激光功率對鈦合金表面激光熔覆層性能的影響。研究結果表明：在TC4 鈦合金基體中存在TiC、TiB、TiB₂，熔覆層中還有未熔的B4C顆粒。激光功率越大，覆層表面越平滑，熔覆層存留的B4C顆粒越少，TiB數(shù)量越多、尺寸越大，涂層表面顯微硬度降低，耐磨性顯著增加。隨著激光功率的增大，基材和熔覆粉末同時吸收了較大的激光能量，受到高溫時間變長，B4C顆粒逐漸被分解，被分解的B4C顆粒與鈦合金生成TiC、TiB、TiB₂。另一方面，激光功率越大，熔池保持高溫時間越長，過冷度降低導致形核率下降，這樣就增大了原位自生增強相的生長速度。

（二）掃描速度

適當?shù)募す夤β适菦Q定鈦合金表面激光熔覆層性能的關鍵因素之一。當掃描速度過高時，激光能量沒有充足的時間作用于鈦合金，熔池存在時間減少，送粉粉末熔化率低，而且容易產生孔洞和裂紋等缺陷，熔覆層性能無法達到預期效果。當掃描速度過低時，激光能量長時間作用于鈦合金表面，送粉粉末有可能會發(fā)生過燒現(xiàn)象，同時也會增加變形量。林沛玲[11]等在鈦合金表面預置Ti 和B 混合粉末，利用激光熔覆技術在不同的掃描速度下制備了復合熔覆層。認為：熔覆層與基體結合良好，主要物相是Ti 和TiB；顯微組織中，TiB呈現(xiàn)顆粒狀，而Ti 為枝晶狀；掃描速度越大，熔覆層深度越低，但表面硬度卻越來越高，最高是基體硬度的1.5～2 倍。當掃描速度為8mm/s 時，熔覆層的組織最為細小。林熙[12]等研究了掃描速度對TC4鈦合金表面激光熔覆層性能的影響。在TC4試樣表面預置一定質量分數(shù)的TC4 與Ni 包B4C混合粉末，采用氬氣保護，調節(jié)3種不同的掃描速度，在試樣表面激光熔覆制備了復合涂層。認為：激光掃描速度越大，涂層厚度越小，且寬度越小。當掃描速度為8mm/s時，激光能量在試樣表面停留時間長，同時熔池存在時間相對較長，Ti原子又充足的時間與生成的TiB2反應生成TiB。當掃描速度增大時，熔池存在時間減少，Ti原子沒有來得及與TiB2反應就已經趨于凝固，所以，留存的TiB2逐漸增多，而TiB數(shù)量較少。3種不同掃描速度下制備的涂層其顯微硬度都很高，達到基體的2～3 倍，明顯增強了鈦合金表面硬度，其中掃描速度為8mm/s 時，熔覆層硬度達到最高值。

（三）后期熱處理

激光熔覆過程中，激光的高能量將基體與粉末快速熔化后又快速的凝固，涂層的內部會產生很大的殘余內應力。如果不及時處理殘余內應力，涂層在使用過程中極易產生裂紋，嚴重制約了涂層的使用壽命和使用范圍。對激光熔覆涂層進行合適的熱處理有著極其重要的意義。一方面，通過低溫去應力退火可以大幅度降低涂層內部的殘余應力，可以防止裂紋的產生；另一方面，熱處理過程中，基體和涂層中的原子發(fā)生著高溫擴散，原子間置換加劇，可以減少裂紋和提高熔覆層的塑性和韌性。

翟永杰[13]對TA2合金表面制備的激光熔覆涂層進行了熱處理，分析對比了不同時長和溫度對熔覆層組織和性能的影響。首先在TA2 合金表面預置40%Ti-25.2%Ti C-34.8%WS2 復合粉末，利用激光熔覆技術制備了復合涂層試樣。經實驗數(shù)據(jù)處理分析后認為：經過500℃高溫，時長1h 和2h 熱處理涂層相比于未熱處理涂層的顯微硬度有所提高，磨損機制 主要為磨粒磨損，表面較為光滑，摩擦系數(shù)和磨損率都有一定程度的下降，然而不同熱處理時長對熔覆層組織和性能的影響較小。當熱處理1h，溫度為300℃時，涂層的組織與未熱處理涂層區(qū)別不大，耐磨性能沒有明顯提高，顯微硬度略有下降。熱處理溫度為500℃和700℃的涂層顯微組織發(fā)生了變化，熱處理溫度為700℃時涂層的顯微硬度和耐磨性達 到最高值。可見，合適的熱處理有助于改善鈦合金表面熔覆涂層的組織和性能。

三、外加物理場對涂層表面組織及性能的影響

（一）電磁場

外設電磁場應用在激光熔覆技術主要體現(xiàn)在兩個方面。首先，電磁場可以控制金屬液體的流動，改變了熔池形狀，促進涂層與基體更好的結合，防止脫落。其次，電磁場可以改善金屬的凝固組織和性能，在涂層的凝固過程中，電磁場的攪拌與振動作用可以細化晶粒，以及提高涂層的綜合力學性能。

楊光[14]等研究了施加電磁場對熔池凝固過程的影響，對是否施加電磁場的TA15鈦合金表面激光熔覆過程進行了三維磁-熱耦合數(shù)值模擬。認為：電磁場的電磁攪拌作用于熔池形成和凝固過程中，加快了液態(tài)金屬的對流，增大了熔池的最大流速，加快了熔池的熱交換，實現(xiàn)了熔池溫度分布的均勻化，這樣就促進了熔池頂部組織柱狀晶向等軸晶的轉變。試驗結果表明熔池頂部出現(xiàn)軸晶組織，隨著與電磁場中心距離的增加，等軸晶數(shù)量逐漸增多，而熔池底部和中部組織依然為柱狀晶。在沒有施加電磁場的情況下，涂層組織均為柱狀晶，并沒有生成等軸晶。同時發(fā)現(xiàn)電磁場的作用并沒有對熔池內部柱狀晶的生長產生較大影響。

（二）超聲振動

在激光熔覆技術中，超聲振動作用在沉積時或沉積后，可以減小涂層內部殘余內應力，防止生成粗大的柱狀晶，促進等軸晶的生成，細化了涂層的組織，從而改善了激光熔覆涂層的性能。張安峰[15]等研究了施加超聲振動對激光熔覆沉積Ti6Al4V合金組織和性能的影響。通過實驗設備，超聲振動作用于熔融的金屬熔池中，金屬混合粉末在激光熔覆沉積和超聲振動中發(fā)生金屬結晶過程，制備出鈦合金試樣，后對該試樣進行了固溶時效處理。Ti-Al 相圖如圖1 所示。研究發(fā)現(xiàn)：超聲振動的施加減小激光熔覆沉積Ti6Al4V 合金殘余應力和表面粗糙度，晶粒變細，同時其強度和塑性有一定程度的提高。這是由于超聲作用在熔池中產生了空化泡，而空化泡的破碎對熔體產生了沖擊作用，局部溫度得到提高，增大過冷度的同時增大了形核率，最終細化了晶粒，試樣的強度較標準鍛件高出了許多。鈦合金試樣經固溶時效熱處理后，其組織和性能也發(fā)生了一些變化。顯微組織晶粒相對細小，由多種相組成了混合組織，試樣的塑性和韌性得到提高，強度略微下降，綜合力學性得到提高。

四、結語

利用激光熔覆技術在鈦合金表面制備出一層較薄的高強度涂層，可以有效改善鈦合金材料表面性能，相對傳統(tǒng)工藝有著很多突出的優(yōu)勢，涂層與基體材料之間冶金連接，不易脫落，且涂層性能優(yōu)良，可有效的起到防護作用。交變電磁場可以改善金屬的凝固組織和性能，在涂層的凝固過程中，可以細化晶粒，來獲得質量更佳的防護涂層。[16,17]

參考文獻：

[1]譚金花,孫榮祿,牛偉等.TC4合金激光熔覆材料的研究現(xiàn)狀[J]. 材料導報，2020，34（8）:15132-15137.

[2]崔佳鵬. 激光熔覆技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 農機使用與維修,2019,12:25-25.

[3]路世盛,周健松,王凌倩等. 鈦合金表面激光熔覆陶瓷涂層的研究進展[J]. 表面技術,2019,49(11):82-90.

[4]劉均環(huán). 鈦合金表面激光熔覆制備含硼GaP 生物陶瓷涂層[D]. 南華大學，2019：1-6.

[5]李成,王玉玲,姜芙林等. 激光功率對超聲輔助激光熔覆Al2O3-ZrO2 陶瓷力學性能的影響[J]. 金屬熱處理,2020,45（2）：218-224.

[6]何斌鋒.TC4 鈦合金激光熔覆NiCrAl+TiC涂層的性能[J]. 金屬熱處理,2019,44(9):69-73.

[7]王阿敏,張紅霞等. 鈦合金表面激光熔覆Ti/Al/B4C/C涂層組織與性能分析[J]. 材料保護,2020,53(3):41-46.

[8]崔朋賀,杜壯壯,張浩等. 稀土Y2O3 添加對激光熔覆層開裂敏感性的影響[J]. 應用激光, 2016,36(3):239-246.

[9]邱瑩,張鳳英,胡騰騰等. 激光功率對TC4 表面熔覆Ti40 阻燃鈦合金組織及硬度的影響[J]. 中國激光,2019，46（11）：1-9.

[10]胡春亮,孫榮祿,牛偉等. 激光功率對Ti 合金表面制備Ni 包B4C熔覆涂層組織性能的影響[J]. 兵器材料科學與工程,2019,42(5):5-9.

[11]林沛玲,張有鳳,楊灣灣等.掃描速度對激光熔覆鈦合金復合涂層顯微組織的影響[J].熱加工工藝,2019,48(10):132-135.

[12]林熙,孫榮祿,牛偉.掃描速度對激光熔覆TC4-Ni包B4C復合涂層組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2018,43(7):197-203.

[13]翟永杰,劉秀波,喬世杰等. 熱處理對TA2 合金表面激光熔覆Ti2SC/TiS 涂層組織和力學性能的影響[J]. 表面技術,2017,46(6):207-214.

[14]楊光,薛雄,欽蘭云等. 旋轉磁場對激光熔凝鈦合金熔池的影響[J]. 稀有金屬材料與工程,2016,45(7):1804-1810.

[15]張安峰,付濤,王潭等. 超聲振動對激光熔覆及固溶時效Ti6Al4V合金組織和性能的影響[J].中國激光,2018,45(12):1-6.

[16]李勇. 交變電磁場對真空差壓鑄造鋁合金鑄件組織及性能的影響[D]. 南昌航空大學,2013:1-3.

[17]Qingsong Yan ,Yong Li et al.Effects of intensity ofalternating electromagnetic field on microstructure and propertyof ZL114A aluminum alloy castings[J] .Applied Mechanics andMaterials Vols. 2013,278-280:429-432.