鈦合金激光表面防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

王 燕，李 欣，周 瓏，徐方明，傅曉亮

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部，北京 100083

0 引言

鈦合金具有較低的密度、較高的比強(qiáng)度和耐熱性、優(yōu)異的耐蝕性和生物相容性，在諸多領(lǐng)域尤其是航空航天領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。然而，鈦合金同時也具有較高的摩擦因數(shù)、在摩擦條件下易粘著、易磨損等缺點(diǎn)，制約了其在摩擦條件下的應(yīng)用。為了提高其摩擦性能，國內(nèi)外專家學(xué)者對鈦合金的表面改性和表面防護(hù)等技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，以期在鈦合金表面制得耐磨性優(yōu)異的涂層以提高其表面耐磨性能。這些研究涉及表面滲碳、等離子氮化、CVD、熱噴涂、SOL-GEL、離子注入等傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，這些方法獲得的表面改性層厚度較薄、涂層與基體的結(jié)合力較弱，無法滿足在高應(yīng)力摩擦條件下工作的工件的使用要求。近年來，激光光束由于具備良好的方向性和相干性，被廣泛用于對鋼、鎳合金等材料尤其是鈦合金的表面防護(hù)處理，該技術(shù)可提高鈦合金的耐磨性。

激光表面改性的優(yōu)點(diǎn)包括可對熔覆層的寬度和深度進(jìn)行精確控制、處理區(qū)域可靈活選擇、基體稀釋度低等，采用激光進(jìn)行處理可獲得高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨耐蝕、基體與涂層結(jié)合緊密的表面改性層，顯著提高鈦合金性能和使用壽命。

1 鈦合金激光表面處理方法研究進(jìn)展

1.1 激光表面重熔

激光表面重熔過程中，材料表面完全熔化，撤去激光后發(fā)生自淬火獲得改性層。激光重熔快速凝固可以形成少偏析、少缺陷且均勻細(xì)化的組織，提高鈦合金表面耐磨抗蝕性。文獻(xiàn)研究表明，對純鈦、Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行了激光重熔快速凝固處理后，純鈦熔融區(qū)微觀組織由單相α 組織轉(zhuǎn)變成針狀馬氏體組織，處理后的試樣不易產(chǎn)生點(diǎn)蝕、點(diǎn)蝕傳播可能性較低，耐蝕性大大提高，對Ti-6Al-4V 合金處理時不同的處理參數(shù)形成了不同的氧化層，顯著提高Ti-6Al-4V 的耐蝕性能。劉彬等研究了熱軋退火近α-TA15 鈦合金激光表面重熔快速凝固組織，該組織晶粒沒有細(xì)化反而粗化，而激光加熱表面重熔熔池形成過程中，熔池底部與熔體接觸的未熔母材β 晶粒在短時超高溫作用下發(fā)生了嚴(yán)重長大，是導(dǎo)致鈦合金激光表面重熔區(qū)β晶粒組織“異常”粗化的直接原因。

1.2 激光表面合金化

激光表面合金化利用激光將材料局部表面區(qū)域加熱到一定固態(tài)溫度或形成一薄的熔區(qū)，通過擴(kuò)散或添加合金元素或化學(xué)反應(yīng)改變表面化學(xué)成分以改善材料表面的力學(xué)、物理和化學(xué)性能的技術(shù)。在化學(xué)熱處理方面它有著廣泛的應(yīng)用前景和技術(shù)先進(jìn)性，因?yàn)樗哂锌删钟蛱幚?，低的基體形變，對基體性能無損傷，效率高和快速加熱等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1 激光氣體氮化

激光氣體氮化是通過氮?dú)鈿夥障氯刍w來改變表面成分的新技術(shù)，利用氮?dú)庠诩す馐妮椪兆饔孟屡c熔池中高溫鈦合金金屬液發(fā)生反應(yīng)，從而溶入熔池實(shí)現(xiàn)合金化達(dá)到改善材料表面性能的目的。何秀麗等[5]以元素氮為合金元素對TiAl 合金進(jìn)行激光表面合金化，利用氮?dú)馀c鈦合金激光熔化高溫熔池之間的冶金反應(yīng)，在TiAl 合金表面獲得了與鈦合金基材產(chǎn)生完全梯度漸變冶金結(jié)合的涂層，該涂層組織的增強(qiáng)相為高硬度高耐磨TiN 初生樹枝晶，因而具有優(yōu)異的耐磨性。

在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行激光處理的同時加入合金粉末即進(jìn)行激光氮化復(fù)合處理，可明顯提高鈦合金表面的耐磨性能。Ettaqi等在氮?dú)猸h(huán)境下對純Ti 進(jìn)行激光碳合金化后，合金化層內(nèi)形成TiN 和TiC 樹枝晶。Garca 等[7]在氮?dú)猸h(huán)境下對鈦合金表面加Al 粉進(jìn)行激光合金化，形成了均勻致密的Al/TiAl3 基共晶組織，靠近鈦合金的組織為Ti3Al，合金化層與鈦合金之間的組織過渡轉(zhuǎn)變，合金化區(qū)內(nèi)形成了TiN、Ti2N 和Ti2AlN 樹枝晶。Fu 等在純鈦和鈦合金表面預(yù)涂NiCr 合金粉末后進(jìn)行激光氮化，合金化層內(nèi)原位生成了TiN 和Cr2N 等增強(qiáng)相，因而提高了合金的滑動磨損性能。

1.2.2 激光表面粉末合金化

目前對鈦合金表面激光強(qiáng)化研究主要集中在TiC、SiC、Ti5Si3、BN 等耐磨相的制備上。何秀麗等以碳元素為合金元素分別對BT9、TC4 進(jìn)行激光表面粉末合金化，利用碳與鈦合金表面激光熔池的冶金反應(yīng)，在鈦合金表面分別獲得了以高硬度、高耐磨TiC 樹枝晶為增強(qiáng)相的表面改性層，其與基體之間的組織梯度漸變、完全冶金結(jié)合，該涂層厚度在0.4mm ～ 2.0mm 內(nèi)靈活可調(diào)、平均硬度為HV1000 以上，耐磨性顯著提高。王華明以合金元素Si 對鈦合金進(jìn)行激光表面粉末合金化，制得了由塊狀Ti5Si3 初生相及共晶Ti/Ti5Si3 組織組成、與基材間為完全冶金結(jié)合的Ti5Si3/Ti 耐磨復(fù)合材料表面改性層，合金層平均硬度在HV600 ～1100 范圍內(nèi)靈活可調(diào)且分布均勻，并可根據(jù)需要通過改變Si 的含量及合金化工藝參數(shù)對改性層中增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)及顯微組織進(jìn)行靈活控制，相比鈦合金基體，其室溫干滑動磨損性提高85 ～125 倍以上。J.S. Selvan等對Ti-6Al-4V 進(jìn)行激光表面BN 粉末合金化，形成的合金化層的組織主要為TiN 和TiB，其顯微硬度為1700HV，耐蝕性和耐磨性能良好。

其他激光合金化復(fù)合層也逐漸成為研究熱點(diǎn)，邵德春等在Ti-6Al-4V 基體上進(jìn)行了Al ＋Nb 粉末合金化，獲得的改性層在大氣中于900 ℃進(jìn)行高溫氧化，氧化后形成了均勻致密的Al2O3 膜，可提高基體的抗氧化性，但對耐磨性能的提高不明顯。Blanco-pinzon 等在鈦合金表面采用Ni+Pd 粉末進(jìn)行合金化獲得了復(fù)合涂層，該涂層具有較高的耐蝕性。C.K. Sha 等在Ti-6Al-4V 合金表面采用NiAl ＋ZrO2 混合粉末進(jìn)行合金化，獲得的涂層顯微組織細(xì)小，具有明顯提高的硬度。Pang W 等在Ti-6Al-4V 合金表面采用Mo+WC 粉末進(jìn)行合金化，獲得的涂層在適宜的Mo/WC 配比條件下具有顯著提高的硬度和滑動磨損性能。

1.3 激光融覆

激光熔覆也是近年來新興的激光表面處理技術(shù)。熔覆材料包括金屬、合金、非金屬、化合物及其混合物。與常規(guī)表面涂覆工藝相比，激光熔覆方法制備的涂層成分不受基體成分干擾、與基體冶金結(jié)合、厚度可控。目前，激光熔覆主要用于提高工件表面的耐磨、耐蝕、耐熱等性能。

王華明在BT9 及TC4 鈦合金表面采用Ti-Si-Ni 合金粉末進(jìn)行激光熔覆、制得了以塊狀Ti5Si3 為增強(qiáng)相、以共晶Ti5Si3/ NiTi2 為基的耐磨復(fù)合材料涂層，該復(fù)合材料涂層具有極低的磨損速率和很低的摩擦系數(shù)，相比鈦合金基材，該涂層耐磨性可提高140 倍以上、摩擦系數(shù)降低一倍以上。孫榮祿等在TC4 基體上采用NiCrBSiC 合金粉末通過激光熔覆制得了熔覆層，其顯微硬度為HV900 ～HV1000，比基體提高了2 ～3倍。熔覆層在大氣下和真空中的摩擦因數(shù)分別為0.3 ～0.4 和0.4 ～0.5。管麗娜等在BT20 鈦合金上用65.91Cr-28.61Ni-5.48Si 合金粉末進(jìn)行激光熔覆制得了熔覆涂層，其組織中的增強(qiáng)相為Cr13Ni5Si2，涂層具有優(yōu)異的干滑動磨損性能。文獻(xiàn)研究了在鈦合金表面以NiCrBSi+高熔點(diǎn)超硬陶瓷顆粒為熔覆材料制備復(fù)合涂層，所加入的高熔點(diǎn)超硬陶瓷顆粒為WC、TiC、SiC、B4C 等碳化物陶瓷顆粒。

2 研究展望

國外對大功率激光器和激光表面防護(hù)技術(shù)方面的研究開發(fā)較早，與國外相比，我國該領(lǐng)域的研究起步較晚，但隨著我國對航空航天技術(shù)的日益重視及近年來大功率激光器的逐步發(fā)展，鈦合金激光表面防護(hù)處理的研究正在逐步趨向系統(tǒng)化。目前對鈦合金激光表面防護(hù)的研究熱點(diǎn)主要為優(yōu)化涂層的組分和工藝，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，對防護(hù)處理過程中的冶金過程、組織演變的研究較少。然而，將激光處理與其它先進(jìn)表面處理技術(shù)相結(jié)合制備出多層復(fù)合薄膜，將會使處理工藝和質(zhì)量進(jìn)一步提高。因此，在未來的鈦合金表面防護(hù)方面，激光將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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