西北有色金屬研究院秦成等：鈦合金表面激光熔覆涂層及工藝研究進展

01鈦合金表面激光熔覆材料

1.1  自熔性合金粉末

  自熔性合金粉末主要有鎳基、鈷基、鐵基3種，由于自熔性合金粉末中含有硼、硅以及較高含量的鉻元素，故表現(xiàn)出優(yōu)異的自脫氧及造渣能力，并且能夠改善熔體對基體金屬的潤濕能力，降低熔覆層中的含氧量，減少熔覆過程中產(chǎn)生的夾雜，進而提高熔覆層的成形質(zhì)量。

  鎳基自熔性合金粉末具有良好的潤濕性、耐蝕性以及抗氧化性，價格適中，應(yīng)用較廣，但高溫性能較差，通常用于局部要求耐磨、耐腐蝕的構(gòu)件，常用的鎳基自熔性合金粉末有Ni-B-Si、Ni-Cr-B-Si以及Ni-Cr-B-Si-Mo等。

  鈷基自熔性合金粉末具有良好的耐熱性、耐磨性以及高溫抗氧化性，高溫時鈷元素容易與其他添加元素形成新相，對熔覆層形成強化作用，其缺點是價格較高，使用成本較大，通常應(yīng)用于石化、電力、冶金等領(lǐng)域。

  鐵基自熔性合金粉末成本低，但由于自身熔點高，抗氧化性差，在熔覆過程中容易形成開裂、氣孔等缺陷，不能滿足絕大部分鈦合金的應(yīng)用條件，目前相關(guān)研究及應(yīng)用報道較少。

1.2  陶瓷粉末

  相比于一般金屬，陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好等特點，常用于制備熱障涂層及高溫耐蝕涂層。陶瓷粉末通?？煞譃檠趸锾沾煞勰?、氮化物陶瓷粉末，氧化物陶瓷粉末主要為氧化鋁、氧化鋯及少量稀土氧化物，能夠在熔覆層中作為強化相，有效改善材料的使用性能。

1.3  金屬基陶瓷復合粉末

  金屬基陶瓷復合粉末是一種將高熔點的硬質(zhì)陶瓷顆粒添加至自熔性金屬粉末中形成的新型熔覆材料，可同時發(fā)揮金屬粉末材料自熔性強、潤濕性好、低成本以及陶瓷粉末耐高溫、耐磨等優(yōu)勢，從而制備出高質(zhì)量的熔覆涂層。

1.4  其他特殊增強材料

  除自熔性合金粉末、陶瓷粉末以及金屬基陶瓷復合粉末外，鈦合金表面激光熔覆材料還包含高熵合金涂層、稀土增強涂層等。

  高熵合金是以5種或者5種以上主要元素以等摩爾比或近等摩爾比混合形成的固溶體合金。研究表明，在鈦合金表面激光熔覆高熵合金，可以提高其表面硬度、提升耐磨性、強化高溫抗氧化性。

  稀土元素包含元素周期表中第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個鑭系元素及鈧和釔共計17個元素，其原子半徑較大，具有獨特的外層電子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出極強的理化性能。通過向熔覆材料中添加稀土元素能夠提高熔體流動性，起到細化晶粒、提高熔覆層致密度以及改善涂層硬度、耐磨性等作用。在熔覆層材料中，稀土元素作為各種性能的改良劑，多以稀土化合物的形式存在，如CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF等，由于化學活性較強，稀土氧化物容易與硫、氧、硅、氮等雜質(zhì)元素形成高熔點化合物，增加熔區(qū)共晶溫度，提高形核質(zhì)點數(shù)量，達到細化晶粒作用；在陶瓷材料中添加稀土元素，能夠改變合金的潤濕性，提高合金致密度，降低孔洞邊緣的應(yīng)力集中，提升熔覆層的界面結(jié)合強度，改善陶瓷涂層的組織和耐磨性能。

2.1  熔覆材料供給方式對熔覆層的影響

  激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程。熔覆材料的供給方式可以分為預(yù)置式和同步式2類，其中預(yù)置式主要包括熱噴涂法和粘結(jié)劑法2種。

  熱噴涂法主要是利用熱源將被熔覆粉末加熱至半熔融或熔融狀態(tài)，然后將其以一定速度噴射至基體表面，待冷卻沉積后形成熔覆層。通過這種方法獲得的熔覆層相對均勻且粘合性較好，缺點是操作流程較為繁瑣，并且熔覆粉末的利用率較低，導致成本高。此外，由于溫度較高，會對基體產(chǎn)生一定的熱影響，甚至造成基體形變。

  粘結(jié)劑法是指通過粘結(jié)劑提前將熔覆粉末混合，均勻涂覆在鈦合金基體表面的方法。相比于熱噴涂法，粘結(jié)劑法不會對基體材料產(chǎn)生熱影響，基體幾乎不會發(fā)生被動變化，并且該熔覆方法成本較低，操作也相對簡單；缺點是所獲得的熔覆層均勻度較差，與基體結(jié)合強度較低，且容易在熔覆過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。根據(jù)2種方法自身的特點，實際中預(yù)置板材、絲材時通常采用粘結(jié)劑法，預(yù)置粉末材料時多采用熱噴涂法。

  同步式激光熔覆是指在熔覆過程中，利用粉末噴嘴裝置直接將熔覆材料送至激光束中，保證供料和熱熔覆同步進行，在鈦合金表面直接形成熔覆層。該方法操作簡單，熔覆效率高，自動化程度高，加工工藝難度低，熔覆層幾乎無氣孔等缺陷，可極大提升熔覆層質(zhì)量。

2.2  熔覆工藝參數(shù)對熔覆層的影響

  激光功率為激光發(fā)生器在單位時間內(nèi)所能提供的激光能量，能夠影響激光束在熔覆區(qū)的能量輻照強度，控制熔覆層的質(zhì)量和性能。激光功率過大，會使熔池深度增加，基體材料受到影響，發(fā)生變形或開裂現(xiàn)象；反之，激光功率過小，熔覆材料難以完全熔化，熔覆層易產(chǎn)生孔洞或夾雜等缺陷，導致熔覆層質(zhì)量下降。

  激光束的光斑直徑?jīng)Q定著熔覆層的寬度，通常光斑越小，熔覆效果越好，但不宜過小，否則難以獲得大面積的熔覆層。

  激光束掃描速度即激光熔覆的快慢，能夠間接影響熔覆區(qū)的能量強度。激光束的掃描速度不宜過快或過慢，激光熔覆速度過快，熔覆區(qū)的溫度較低，熔覆材料熔化不完全，容易產(chǎn)生夾雜，降低熔覆層質(zhì)量；反之，激光束掃描速度過慢，熔覆區(qū)的溫度過高，容易造成元素流失或基體損傷。

  因此，需要協(xié)調(diào)激光功率、激光束的光斑直徑以及激光束掃描速度3個工藝參數(shù)，根據(jù)各自作用特點選擇合適的參數(shù)，從而獲得高質(zhì)量的熔覆層。

3.1  耐磨涂層

  截至目前，關(guān)于鈦合金表面激光熔覆的研究中，耐磨涂層的研究最為廣泛。耐磨涂層多選擇金屬基陶瓷材料，主要通過調(diào)整其增強相的種類、性能以及在熔覆層中的含量和分布狀況，從而有效提高鈦合金基體的耐磨性能。

3.2  耐腐蝕涂層

  通常在鈦合金表面激光熔覆金屬基陶瓷復合材料以制備耐腐蝕涂層，其中典型的有以鎳基自熔合金為基，通過添加SiC、B4C、WC等顆粒形成復合材料，以提高熔覆層的耐蝕性。同樣，以鈷基自熔合金為基的硬質(zhì)合金熔覆層也表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3.3  高溫抗氧化涂層

  在鈦合金表面進行激光熔覆能夠在不改變材料整體性能的前提下，有效避免其在高溫下發(fā)生氧化。通過在金屬基合金粉末中添加Cr3C2等材料，在試樣表面形成連續(xù)完整的Cr2O3熔覆層，且組織均勻致密，與基體結(jié)合性較好，高溫抗氧化性能明顯提高。

3.4  生物涂層

  當前，在鈦合金表面制備生物陶瓷涂層的方法有等離子噴涂、磁控濺射和脈沖激光沉積等。與以上幾種制備方法相比，激光熔覆生物涂層與基體的結(jié)合性較好、生物活性較高、植入體服役壽命長，因而在生物涂層領(lǐng)域的應(yīng)用研究也越來越多。鈦合金表面激光熔覆生物涂層的研究主要集中在金屬表面熔覆羥基磷灰石（HAP）、氟磷灰石以及含Ca生物陶瓷材料，TC4鈦合金因具備良好的生物相容性被用作生物陶瓷涂層的載體。