激光熔覆鈦合金研究現(xiàn)狀與展望

中圖分類號(hào)：TG174.4；TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-0105（2025）02-0058-06

Research Status and Prospect of Laser Cladding Titanium Alloys

ZHANGBinglin，BAOJiajie （ZhejiangIndustryamp; Trade Vocational College，Wenzhou 325oo3，China）

Abstract：Titanium alloyis animportant choice for lightweight materials becauseof itsexcelent properties，butits development isrestrictedduetopoorsurface wearresistance.Lasercladdngtechnologyisanimportant method toimproethe surfacepropertiesoftitanumallys withadvantagessuchashighmtalurgicalbondingstrengthandcontrollble fmingproperties. Inthispaper，thelatestresearchdevelopmentsinpreparingtitanumaloycladdingvialasecaddingtechnologyaresummarized.The results of process parameteroptimizationandpowder materalselectionareanalyzed，revealingthatlaserpowerandsaingsped significantlyafectcladdngperformance.Furthermore，themechanismsunderlying improvements inwearresistanceandcorrosion resistancearedisussed，dmonstratingthatlasercadngeffectivelyeancesufacepropertistroughmetalurgcalodngand microstructure refinement. Finally， current challenges are addressed，and future development trends are predicted.

eywords： laser cladding; titanium alloy; material design; parameter optimization

鈦合金憑借其出色的比強(qiáng)度特性，在要求輕量化和高強(qiáng)度的工程應(yīng)用中呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，正日益成為航空航天、汽車及船舶制造等多個(gè)高端裝備領(lǐng)域的核心材料[1-2]。但是鈦合金在特定工作環(huán)境下的耐磨性能表現(xiàn)不佳，成為制約其應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展的關(guān)鍵因素。尤其是在高溫服役環(huán)境下，鈦合金展現(xiàn)出的抗氧化及耐磨性能上的不足，顯著縮短了其使用壽命。表面改性技術(shù)可以通過(guò)增強(qiáng)表面性能的同時(shí)保持鈦合金原有的高比強(qiáng)度，因而成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵方法。而傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)因受到一系列問(wèn)題的制約而無(wú)法得到廣泛應(yīng)用，如電鍍結(jié)合強(qiáng)度較低，噴丸強(qiáng)化難以形成均勻強(qiáng)化層，電子束加工需要真空環(huán)境限制且設(shè)備成本較高[3-4]。激光熔覆相比于上述方法具備冶金結(jié)合強(qiáng)度高、快速冷卻凝固使微觀結(jié)構(gòu)致密均勻、加工工藝成本較低以及成型性能可調(diào)控等優(yōu)勢(shì)[5-。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)圍繞使用激光熔覆技術(shù)提高鈦合金表面的耐磨耐蝕性能開展研究，從而延長(zhǎng)鈦合金的服役壽命，進(jìn)一步擴(kuò)展鈦合金的應(yīng)用范圍。當(dāng)前研究的焦點(diǎn)，主要在激光熔覆工藝的精細(xì)化調(diào)控以及材料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，力求通過(guò)這些途徑顯著提升覆層的綜合性能。

一、激光熔覆原理

激光熔覆的填料方式主要有預(yù)置放粉和同步送粉兩種方式。預(yù)置放粉法，具有工藝流程較為簡(jiǎn)單、粉末厚度均勻、結(jié)合強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，但存在生產(chǎn)效率低、不易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化生產(chǎn)、材料燒損相對(duì)嚴(yán)重以及氣孔裂紋較多等缺點(diǎn)。工藝流程如圖1所示[]。

同步送粉與預(yù)置放粉相比較，具有生產(chǎn)效率高、熔覆層質(zhì)量穩(wěn)定、材料利用率較高的優(yōu)點(diǎn)，比較適用于進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，但同時(shí)存在設(shè)備復(fù)雜、工藝參數(shù)調(diào)整難度較大、對(duì)于粉末粒度及流動(dòng)性等質(zhì)量要求較高的缺點(diǎn)。工藝流程如圖2所示[8]。

二、材料體系

充分分析基體與覆層材料的物理與化學(xué)性能，從而選擇合適的熔覆材料也是影響鈦合金表面性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)以及測(cè)試分析，深入了解工藝參數(shù)與熔覆材料如何影響覆層性能，是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)鈦合金服役壽命延長(zhǎng)自標(biāo)的基礎(chǔ)。

（一）陶瓷

氮化物、碳化物、氧化物等陶瓷因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、顯微硬度和耐磨耐蝕性能，常作為熔覆材料提高鈦合金的表面性能。NuoChen等人通過(guò)激光熔覆技術(shù)在TC4基材上制備了TiC/TiAl復(fù)合涂層，并且著重研究了TiC含量（ 5% 、 10% 、 15% 和20% ）對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度和磨損特性的影響。研究結(jié)果表明，四種涂層的硬度均得到顯著提升，是基體的 1.8～2.4 倍，其中 15vol% 涂層的硬度最高（ 799HV_1.0 ）。XiaojinMiao等人[通過(guò)激光熔覆成功制備了含有Ti ΔN_Δ+TiB/TC4 的Ti基復(fù)合涂層。研究結(jié)果表明，BN的加入促進(jìn)了微米級(jí)橢圓TiN相和納米級(jí)纖維TiB相的原位形成，形成了由TiB包圍和固定的硬質(zhì)TiN的新結(jié)構(gòu)，如圖3所示，因此可以解決添加陶瓷材料導(dǎo)致的脆性問(wèn)題。隨著TiN和TiB相的增加，沒有發(fā)生明顯的塑性變形，在摩擦腐蝕過(guò)程中形成了致密的 TiO₂ 和 MoO₃ 氧化膜，摩擦腐蝕速率因此得到顯著降低。

張強(qiáng)在TC4基體上成功制備了含 2.5wt.% TiB₂ 的復(fù)合材料。結(jié)果表明，原位自生TiB增強(qiáng)相使顯微硬度提升至 1280HV ，抗拉強(qiáng)度達(dá) 1250MPa ，但延伸率下降 12%～15% ；經(jīng) 1050^°C 梯度熱循環(huán)后晶粒尺寸縮減至 8～12μm ，磨損量較基體降低 83% 。

（二）合金粉末

以Co、Ni與Fe等金屬粉末為基礎(chǔ)的合金粉末經(jīng)常被選用為熔覆材料，在鈦合金表面進(jìn)行耐磨耐蝕性能覆層的制備。YueyangLiu等人[成功制備了以 Ti₂Ni 、TiNi和非晶為主的鈦合金覆層，并發(fā)現(xiàn)TiNi在下層的軟相將防止可能出現(xiàn)在頂層的裂紋擴(kuò)展，覆層的顯微硬度和耐磨性能得到了有效提升。Ni元素也增加了陰極反應(yīng)的極化，降低了覆層的腐蝕電流。同時(shí)，頂層中大量分散的細(xì)相增加了相界面處的電荷轉(zhuǎn)移阻力，這是耐腐蝕性提高的根本原因。FeiWeng等人[13]在TC4鈦合金表面進(jìn)行Co基覆層的制備，研究發(fā)現(xiàn)，CoTi和CoTi金屬間化合物的形成是覆層顯微硬度和耐磨性能提升的重要原因。L.R.Kanyane等人[4在鈦合金表面制備Ni-Ti復(fù)合覆層，并對(duì)其在硫酸環(huán)境下的耐蝕性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，覆層的耐蝕性能得到提升的主要原因?yàn)榫Я＜?xì)化和Ni元素的存在。YubinSun等人在鈦合金表面成功制備CoCrW覆層，并針對(duì)覆層在氯化鈉、鹽酸和硫酸溶液的耐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明CoCrW覆層具有較低的侵蝕敏感性和較高的耐腐蝕性，并提供了卓越的抗腐蝕性能，如圖4所示，這種優(yōu)越性能主要?dú)w功于表面形成的堅(jiān)固鈍化膜，以及包層緊湊的微觀結(jié)構(gòu)。

高熵合金粉末由于其獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)和“雞尾酒效應(yīng)”所帶來(lái)的優(yōu)異性能，也被廣泛研究。ChongDeng等人通過(guò)激光熔覆在Ti6Al4V板材上成功合成了 $_ ＼mathrm { C o C r F e N i M o } _ { 0 . 2 }$ 高熵合金涂層，覆層的硬度為 900HV_0.1 ，約為基材的2.3倍。覆層在 600^°C 的高溫環(huán)境下呈現(xiàn)出比基體更優(yōu)異的抗氧化性能，是因?yàn)檠趸瘜又旅芮腋缓?Cr 元素。與此同時(shí)，覆層的耐磨性能和耐蝕性能都得到了顯著的提升。ZhenkangZhang等人[通過(guò)激光熔覆，在Ti6Al4V鈦合金表面制備了 FeCrAlMoSi_x 高熵合金覆層，來(lái)提高鈦合金表面微動(dòng)磨損的耐磨性能，并重點(diǎn)探討了Si元素含量對(duì)于覆層的影響，研究結(jié)果如圖5所示，在室溫和 400^°C 的高溫環(huán)境下，增加Si元素的含量可以提高覆層的顯微硬度和耐磨性能。

Z.Y.Ren等人[18為了增強(qiáng)鈦合金表面的顯微硬度和耐磨性能，通過(guò)激光熔覆技術(shù)制備了NbMoTaWTi高熵合金覆層，涂層的頂部微觀結(jié)構(gòu)以細(xì)小的樹突為主，而界面附近的底部區(qū)域由花瓣?duì)畹拇謽渫唤M成，顯微硬度由于細(xì)晶強(qiáng)化作用，從覆層頂部到基體呈現(xiàn)梯度分布，如圖6所示。程一凡等人[采用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備AlCoCrFeNi高熵合金涂層，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1400W/12mm/s 工藝形成梯度晶層結(jié)構(gòu)，覆層的硬度達(dá)677HV，相比基體的顯微硬度提升 95% 。高溫抗氧化測(cè)試顯示熔覆層氧化增重速率僅 1.318mg/cm² ，較基體降低 95.38% ；常溫摩擦磨損分析表明，雖摩擦系數(shù)略升，但涂層磨損量顯著減少。

（三）復(fù)合材料

復(fù)合材料覆層是激光熔覆制備鈦合金覆層的常用材料，而將上述的合金與陶瓷結(jié)合，從而在鈦合金表面制備金屬基復(fù)合覆層成為研究熱點(diǎn)。在激光熔覆過(guò)程中，合金作為陶瓷增強(qiáng)相與基體的結(jié)合相，可以有效降低覆層開裂的可能性，同時(shí)，可進(jìn)一步形成新的相，從而發(fā)揮覆層所需的其他特性。因此，研究陶瓷粉末與合金粉末的混合比例對(duì)于覆層性能的影響是必要的。QunCai等人[2將研究重點(diǎn)放在TiC含量對(duì)于鈦合金Ni60覆層的影響上，隨著TiC含量的增加，覆層的耐磨性降低，試樣的彎曲強(qiáng)度降低，并伴有斷裂表面的脆性特征。在TiC含量高的涂層中，壓裂儀上存在一些未熔化的TiC顆粒，幾乎沒有塑性特征，進(jìn)一步表明，涂層的機(jī)械性能受到TiC顆粒的顯著影響。而WC因?yàn)榫哂泻外伜辖鸱浅Ｆヅ涞臒崤蛎浵禂?shù)，也成為復(fù)合材料研究的重點(diǎn)內(nèi)容。C.Jiang等人[2在Ti6Al4V基體上制備了WC-Co復(fù)合涂層。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WC顆粒和硬質(zhì)碳化物相的存在使Ti6Al4V能夠在大載荷下抵抗變形。同時(shí)，硬質(zhì)碳化物相有助于晶粒細(xì)化和分散增強(qiáng)，從而顯著提高涂層的硬度和耐磨性。而WC含量的增加，推進(jìn)鈦合金覆層中TiC增強(qiáng)相的形成如圖7所示，而WC同時(shí)具有固溶強(qiáng)化的作用，可以顯著提高覆層的顯微硬度和耐磨性能[22]。 B₄C 作為一種共價(jià)鍵化合物，具有高熔點(diǎn)、低密度等優(yōu)異的物理性能，并具有較高的硬度。

WenchangWang等人[23]在NiCoCrAlY覆層中添加5% 、 10% 和 15% 的 B₄C 來(lái)研究其對(duì)于鈦合金覆層耐磨性能的影響，隨著 B₄C 含量的增加，復(fù)合覆層摩擦磨損系數(shù)得到顯著降低，摩擦磨損機(jī)理也從黏著和氧化磨損演變?yōu)槠谀p。

（四）添加劑

稀土元素具備特殊的物理與化學(xué)特性，可以通過(guò)降低臨界成核能、影響晶界運(yùn)動(dòng)和促進(jìn)成核率進(jìn)一步改善激光熔覆過(guò)程中覆層的微觀結(jié)構(gòu)，并且可以減少覆層裂紋的產(chǎn)生。T.G.Zhang等人[24重點(diǎn)研究了不同含量的 Y₂O₃ 對(duì)于鈦合金覆層的成型和性能影響，結(jié)果如圖8所示，隨著 Y₂O₃ 含量的升高，覆層表面的裂紋數(shù)量逐漸減少，不同 Y₂O₃ 含量覆層的相組成保持不變。添加 Y₂O₃ 后，涂層的微觀結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化，TiC樹枝的方向特征明顯減弱，成核率顯著提高。當(dāng) Y₂O₃ 的添加量為 3wt% 時(shí)，涂層中析出了大量TiB₂ -TiC依賴生長(zhǎng)的復(fù)合相。當(dāng) Y₂O₃ 的用量增加時(shí)，涂層的顯微硬度逐漸降低，涂層的磨損體積先增大后減小。在 TiB₂ -TiC復(fù)合相的作用下， 3wt% Y₂O₃ 覆層的耐磨性達(dá)到最佳。當(dāng) 3wt%Y₂O₃ 涂層的摩擦系數(shù)最低時(shí)，磨損機(jī)理為磨料磨損。

BabatundeAbiodunObadele等人[25在鈦合金覆層中添加 ZrO₂ 并發(fā)現(xiàn)隨著 ZrO₂ 添加量的增加，磨損體積損失顯著減少。耐磨性的提高可歸因于 ZrO₂ 相的存在，它也導(dǎo)致了硬度值的提高。魏家?guī)浀热薣2用COMSOL模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在TC4表面成功制備了含 Y₂O₃ 的鈦基稀土熔覆層，分析表明稀土添加使氣孔和裂紋減少 67% ，促進(jìn)枝晶細(xì)化至 3～8μm 顯微硬度提升至420HV，接近基體硬度的兩倍。磨損試驗(yàn)顯示熔覆層磨損失重降低 48% ，磨損機(jī)制由基體粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微磨粒磨損。

三、工藝參數(shù)優(yōu)化

在激光熔覆過(guò)程中，激光向粉末以及基體進(jìn)行熱量的輸入，以熔化粉末及基體，并形成熔池，然后進(jìn)一步冷卻形成冶金結(jié)合。過(guò)小的熱量輸入，會(huì)導(dǎo)致冶金結(jié)合不良，氣孔裂紋較多甚至?xí)斐筛矊用撀?；而過(guò)大的熱量輸人，會(huì)造成基體元素對(duì)粉末元素的稀釋，導(dǎo)致性能提升無(wú)法達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。因此，如何通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，制備具有良好的冶金結(jié)合，致密均勻的微觀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異性能的覆層是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)內(nèi)容。ShaktiKumar等人[2通過(guò)使用cBN、TiO2和Ti6Al4V等高質(zhì)量增強(qiáng)材料，在Ti6Al4V基體上形成了氮化物、硼化物和氧化層的金屬基復(fù)合覆層，并使用了響應(yīng)面法來(lái)研究激光功率、掃描速度以及保護(hù)氣體流速對(duì)于覆層厚度以及顯微硬度的影響。統(tǒng)計(jì)分析表明，激光功率和掃描速度對(duì)層厚和顯微硬度有顯著影響，即激光功率和掃描速度越大，顯微硬度越高，覆層厚度越厚。MandeepDhanda等人[2通過(guò)預(yù)置鋪粉法在TC4鈦合金基體上成功制備Ni5Al（ 50vol% ） + hBN（10vol% ） +B₄C （ 20vol% ） + SiC 20% ）多組分覆層，并重點(diǎn)研究掃描速度對(duì)于覆層顯微硬度和耐磨性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱輸入的增加，基體材料的稀釋度增加，從而導(dǎo)致涂層軟化，而另一方面，較高的掃描速度會(huì)導(dǎo)致快速加熱和冷卻，微觀組織中出現(xiàn)更細(xì)的晶粒尺寸，較細(xì)的涂層顆粒在硬度和磨損特性方面表現(xiàn)更好。

因此，激光熔覆的工藝參數(shù)對(duì)鈦合金覆層的成型以及性能具有重大的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也將研究重點(diǎn)聚焦在如何確定最優(yōu)工藝參數(shù)上。YaxinXu等人[2通過(guò)激光熔覆在Ti6Al4V基體上成功制備了具有梯度WC結(jié)構(gòu)的兩層耐磨涂層，并采用正交工藝實(shí)驗(yàn)以及灰色關(guān)聯(lián)度分析來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)。姜順等人[30]針對(duì) 42CrMo 軸承表面修復(fù)，通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法建模及NSGA-ⅡI多目標(biāo)優(yōu)化，確立了激光功率 1 050W 、送粉速度 0.65r/ min、掃描速度 8.8mm/s 的最優(yōu)參數(shù)組合，使熔覆層稀釋率降低 44.38% ，熱影響區(qū)深度縮減 6.15% ，顯微硬度提升 6.42% ，綜合性能提升顯著。綜上所述，激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于鈦合金表面性能提升具有重要的意義。

四、主要存在問(wèn)題及展望

激光熔覆是提升鈦合金表面性能的重要選擇，但是也存在裂紋與氣孔兩大核心問(wèn)題。成形金屬零件內(nèi)部和外部殘余應(yīng)力不同，內(nèi)部容易形成壓應(yīng)力，而外部通常為拉應(yīng)力，導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生，通常可以采用優(yōu)化工藝參數(shù)和調(diào)整熔覆粉末材料的組成來(lái)進(jìn)行解決。未能及時(shí)逃逸的氣體會(huì)在覆層內(nèi)部形成氣孔，削弱覆層性能，合理的粉末體系的建立、工藝參數(shù)的優(yōu)化、粉末烘干防氧化等預(yù)處理是解決覆層氣孔的主要方法。

隨著技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆逐漸向以下幾個(gè)方向聚焦。首先是梯度覆層的制備，單層熔覆容易出現(xiàn)的殘余應(yīng)力問(wèn)題，主要是由于基體材料與熔覆材料混合后的微觀結(jié)構(gòu)驟變?cè)斐傻?。為了?shí)現(xiàn)覆層更為優(yōu)異的性能，會(huì)在粉末材料設(shè)計(jì)中添加與基體元素差異過(guò)大的元素，從而會(huì)造成裂紋的產(chǎn)生，因此需要進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，設(shè)置中間層來(lái)進(jìn)行緩沖。其次，高熵合金粉末體系因其廣泛的材料設(shè)計(jì)空間，優(yōu)異的材料性能表現(xiàn)仍然是激光熔覆未來(lái)的發(fā)展方向，而進(jìn)一步制備成分均勻的高熵合金非晶覆層同樣成為近期研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。同時(shí)，在優(yōu)化工藝參數(shù)方面，將電磁場(chǎng)與振動(dòng)等輔助措施應(yīng)用于激光熔覆過(guò)程中，也會(huì)一定程度上有利于基體材料與熔覆材料的充分混合。最后，在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法與正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，更有利于確定最優(yōu)參數(shù)以及明確各參數(shù)對(duì)覆層性能的影響。

五、結(jié)論

在激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域，覆層微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與材料性能的提升主要依賴于工藝參數(shù)的精確優(yōu)化與熔覆材料的科學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整激光功率、掃描速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，能夠有效促進(jìn)良好冶金結(jié)合形成，從而避免氣孔、裂紋等缺陷的生成，確保覆層微觀組織達(dá)到致密且均勻的理想狀態(tài)。將陶瓷材料與合金材料進(jìn)行設(shè)計(jì)形成復(fù)合材料體系，并添加稀有元素等添加劑可以顯著改善鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和表面性能。針對(duì)特定的服役環(huán)境所需要的耐磨耐蝕性能，可以設(shè)計(jì)出不同種類的鈦合金覆層，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的多樣化需求提供強(qiáng)有力的支持。而未來(lái)的激光熔覆發(fā)展趨勢(shì)，將圍繞復(fù)合材料體系的深化應(yīng)用展開，進(jìn)一步對(duì)梯度覆層、非晶覆層等方向進(jìn)行深入研究，同時(shí)，為了進(jìn)一步提升加工效率與覆層質(zhì)量，電磁場(chǎng)輔助、振動(dòng)輔助等創(chuàng)新加工工藝的研究與應(yīng)用也將成為研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：麻小珍）