鈦合金激光表面防護技術研究進展

王 燕，李 欣，周 瓏，徐方明，傅曉亮

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心材料工程發明審查部，北京 100083

0 引言

鈦合金具有較低的密度、較高的比強度和耐熱性、優異的耐蝕性和生物相容性，在諸多領域尤其是航空航天領域有著廣泛應用。然而，鈦合金同時也具有較高的摩擦因數、在摩擦條件下易粘著、易磨損等缺點，制約了其在摩擦條件下的應用。為了提高其摩擦性能，國內外專家學者對鈦合金的表面改性和表面防護等技術進行了廣泛的研究，以期在鈦合金表面制得耐磨性優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、離子注入等傳統的表面改性技術，這些方法獲得的表面改性層厚度較薄、涂層與基體的結合力較弱，無法滿足在高應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處理，該技術可提高鈦合金的耐磨性。

激光表面改性的優點包括可對熔覆層的寬度和深度進行精確控制、處理區域可靈活選擇、基體稀釋度低等，采用激光進行處理可獲得高硬度、低摩擦系數、耐磨耐蝕、基體與涂層結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、少缺陷且均勻細化的組織，提高鈦合金表面耐磨抗蝕性。文獻研究表明，對純鈦、Ti-6Al-4V 合金進行了激光重熔快速凝固處理后，純鈦熔融區微觀組織由單相α 組織轉變成針狀馬氏體組織，處理后的試樣不易產生點蝕、點蝕傳播可能性較低，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生了嚴重長大，是導致鈦合金激光表面重熔區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域加熱到一定固態溫度或形成一薄的熔區，通過擴散或添加合金元素或化學反應改變表面化學成分以改善材料表面的力學、物理和化學性能的技術。在化學熱處理方面它有著廣泛的應用前景和技術先進性，因為它具有可局域處理，低的基體形變，對基體性能無損傷，效率高和快速加熱等優點。

1.2.1 激光氣體氮化

激光氣體氮化是通過氮氣氣氛下熔化基體來改變表面成分的新技術，利用氮氣在激光束的輻照作用下與熔池中高溫鈦合金金屬液發生反應，從而溶入熔池實現合金化達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 合金進行激光表面合金化，利用氮氣與鈦合金激光熔化高溫熔池之間的冶金反應，在TiAl 合金表面獲得了與鈦合金基材產生完全梯度漸變冶金結合的涂層，該涂層組織的增強相為高硬度高耐磨TiN 初生樹枝晶，因而具有優異的耐磨性。

在氮氣氣氛下進行激光處理的同時加入合金粉末即進行激光氮化復合處理，可明顯提高鈦合金表面的耐磨性能。Ettaqi等在氮氣環境下對純Ti 進行激光碳合金化后，合金化層內形成TiN 和TiC 樹枝晶。Garca 等[7]在氮氣環境下對鈦合金表面加Al 粉進行激光合金化，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變，合金化區內形成了TiN、Ti2N 和Ti2AlN 樹枝晶。Fu 等在純鈦和鈦合金表面預涂NiCr 合金粉末后進行激光氮化，合金化層內原位生成了TiN 和Cr2N 等增強相，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，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、完全冶金結合，該涂層厚度在0.4mm ～ 2.0mm 內靈活可調、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合的Ti5Si3/Ti 耐磨復合材料表面改性層，合金層平均硬度在HV600 ～1100 范圍內靈活可調且分布均勻，并可根據需要通過改變Si 的含量及合金化工藝參數對改性層中增強相的體積分數及顯微組織進行靈活控制，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。

其他激光合金化復合層也逐漸成為研究熱點，邵德春等在Ti-6Al-4V 基體上進行了Al ＋Nb 粉末合金化，獲得的改性層在大氣中于900 ℃進行高溫氧化，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 粉末進行合金化獲得了復合涂層，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 混合粉末進行合金化，獲得的涂層顯微組織細小，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。熔覆材料包括金屬、合金、非金屬、化合物及其混合物。與常規表面涂覆工藝相比，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 合金粉末進行激光熔覆、制得了以塊狀Ti5Si3 為增強相、以共晶Ti5Si3/ NiTi2 為基的耐磨復合材料涂層，該復合材料涂層具有極低的磨損速率和很低的摩擦系數，相比鈦合金基材，該涂層耐磨性可提高140 倍以上、摩擦系數降低一倍以上。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 合金粉末進行激光熔覆制得了熔覆涂層，其組織中的增強相為Cr13Ni5Si2，涂層具有優異的干滑動磨損性能。文獻研究了在鈦合金表面以NiCrBSi+高熔點超硬陶瓷顆粒為熔覆材料制備復合涂層，所加入的高熔點超硬陶瓷顆粒為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技術方面的研究開發較早，與國外相比，我國該領域的研究起步較晚，但隨著我國對航空航天技術的日益重視及近年來大功率激光器的逐步發展，鈦合金激光表面防護處理的研究正在逐步趨向系統化。目前對鈦合金激光表面防護的研究熱點主要為優化涂層的組分和工藝，優化組織結構，對防護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表面處理技術相結合制備出多層復合薄膜，將會使處理工藝和質量進一步提高。因此，在未來的鈦合金表面防護方面，激光將會得到越來越廣泛的應用。

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