钛合金激光表面防护技术研究进展

时间：2024-05-20

王燕，李欣，周珑，徐方明，傅晓亮

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部，北京 100083

0 引言

钛合金具有较低的密度、较高的比强度和耐热性、优异的耐蚀性和生物相容性，在诸多领域尤其是航空航天领域有着广泛应用。然而，钛合金同时也具有较高的摩擦因数、在摩擦条件下易粘着、易磨损等缺点，制约了其在摩擦条件下的应用。为了提高其摩擦性能，国内外专家学者对钛合金的表面改性和表面防护等技术进行了广泛的研究，以期在钛合金表面制得耐磨性优异的涂层以提高其表面耐磨性能。这些研究涉及表面渗碳、等离子氮化、CVD、热喷涂、SOL-GEL、离子注入等传统的表面改性技术，这些方法获得的表面改性层厚度较薄、涂层与基体的结合力较弱，无法满足在高应力摩擦条件下工作的工件的使用要求。近年来，激光光束由于具备良好的方向性和相干性，被广泛用于对钢、镍合金等材料尤其是钛合金的表面防护处理，该技术可提高钛合金的耐磨性。

激光表面改性的优点包括可对熔覆层的宽度和深度进行精确控制、处理区域可灵活选择、基体稀释度低等，采用激光进行处理可获得高硬度、低摩擦系数、耐磨耐蚀、基体与涂层结合紧密的表面改性层，显著提高钛合金性能和使用寿命。

1 钛合金激光表面处理方法研究进展

1.1 激光表面重熔

激光表面重熔过程中，材料表面完全熔化，撤去激光后发生自淬火获得改性层。激光重熔快速凝固可以形成少偏析、少缺陷且均匀细化的组织，提高钛合金表面耐磨抗蚀性。文献研究表明，对纯钛、Ti-6Al-4V 合金进行了激光重熔快速凝固处理后，纯钛熔融区微观组织由单相α 组织转变成针状马氏体组织，处理后的试样不易产生点蚀、点蚀传播可能性较低，耐蚀性大大提高，对Ti-6Al-4V 合金处理时不同的处理参数形成了不同的氧化层，显著提高Ti-6Al-4V 的耐蚀性能。刘彬等研究了热轧退火近α-TA15 钛合金激光表面重熔快速凝固组织，该组织晶粒没有细化反而粗化，而激光加热表面重熔熔池形成过程中，熔池底部与熔体接触的未熔母材β 晶粒在短时超高温作用下发生了严重长大，是导致钛合金激光表面重熔区β晶粒组织“异常”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将材料局部表面区域加热到一定固态温度或形成一薄的熔区，通过扩散或添加合金元素或化学反应改变表面化学成分以改善材料表面的力学、物理和化学性能的技术。在化学热处理方面它有着广泛的应用前景和技术先进性，因为它具有可局域处理，低的基体形变，对基体性能无损伤，效率高和快速加热等优点。

1.2.1 激光气体氮化

激光气体氮化是通过氮气气氛下熔化基体来改变表面成分的新技术，利用氮气在激光束的辐照作用下与熔池中高温钛合金金属液发生反应，从而溶入熔池实现合金化达到改善材料表面性能的目的。何秀丽等[5]以元素氮为合金元素对TiAl 合金进行激光表面合金化，利用氮气与钛合金激光熔化高温熔池之间的冶金反应，在TiAl 合金表面获得了与钛合金基材产生完全梯度渐变冶金结合的涂层，该涂层组织的增强相为高硬度高耐磨TiN 初生树枝晶，因而具有优异的耐磨性。

在氮气气氛下进行激光处理的同时加入合金粉末即进行激光氮化复合处理，可明显提高钛合金表面的耐磨性能。Ettaqi等在氮气环境下对纯Ti 进行激光碳合金化后，合金化层内形成TiN 和TiC 树枝晶。Garca 等[7]在氮气环境下对钛合金表面加Al 粉进行激光合金化，形成了均匀致密的Al/TiAl3 基共晶组织，靠近钛合金的组织为Ti3Al，合金化层与钛合金之间的组织过渡转变，合金化区内形成了TiN、Ti2N 和Ti2AlN 树枝晶。Fu 等在纯钛和钛合金表面预涂NiCr 合金粉末后进行激光氮化，合金化层内原位生成了TiN 和Cr2N 等增强相，因而提高了合金的滑动磨损性能。

1.2.2 激光表面粉末合金化

目前对钛合金表面激光强化研究主要集中在TiC、SiC、Ti5Si3、BN 等耐磨相的制备上。何秀丽等以碳元素为合金元素分别对BT9、TC4 进行激光表面粉末合金化，利用碳与钛合金表面激光熔池的冶金反应，在钛合金表面分别获得了以高硬度、高耐磨TiC 树枝晶为增强相的表面改性层，其与基体之间的组织梯度渐变、完全冶金结合，该涂层厚度在0.4mm ～ 2.0mm 内灵活可调、平均硬度为HV1000 以上，耐磨性显著提高。王华明以合金元素Si 对钛合金进行激光表面粉末合金化，制得了由块状Ti5Si3 初生相及共晶Ti/Ti5Si3 组织组成、与基材间为完全冶金结合的Ti5Si3/Ti 耐磨复合材料表面改性层，合金层平均硬度在HV600 ～1100 范围内灵活可调且分布均匀，并可根据需要通过改变Si 的含量及合金化工艺参数对改性层中增强相的体积分数及显微组织进行灵活控制，相比钛合金基体，其室温干滑动磨损性提高85 ～125 倍以上。J.S. Selvan等对Ti-6Al-4V 进行激光表面BN 粉末合金化，形成的合金化层的组织主要为TiN 和TiB，其显微硬度为1700HV，耐蚀性和耐磨性能良好。

其他激光合金化复合层也逐渐成为研究热点，邵德春等在Ti-6Al-4V 基体上进行了Al ＋Nb 粉末合金化，获得的改性层在大气中于900 ℃进行高温氧化，氧化后形成了均匀致密的Al2O3 膜，可提高基体的抗氧化性，但对耐磨性能的提高不明显。Blanco-pinzon 等在钛合金表面采用Ni+Pd 粉末进行合金化获得了复合涂层，该涂层具有较高的耐蚀性。C.K. Sha 等在Ti-6Al-4V 合金表面采用NiAl ＋ZrO2 混合粉末进行合金化，获得的涂层显微组织细小，具有明显提高的硬度。Pang W 等在Ti-6Al-4V 合金表面采用Mo+WC 粉末进行合金化，获得的涂层在适宜的Mo/WC 配比条件下具有显著提高的硬度和滑动磨损性能。

1.3 激光融覆

激光熔覆也是近年来新兴的激光表面处理技术。熔覆材料包括金属、合金、非金属、化合物及其混合物。与常规表面涂覆工艺相比，激光熔覆方法制备的涂层成分不受基体成分干扰、与基体冶金结合、厚度可控。目前，激光熔覆主要用于提高工件表面的耐磨、耐蚀、耐热等性能。

王华明在BT9 及TC4 钛合金表面采用Ti-Si-Ni 合金粉末进行激光熔覆、制得了以块状Ti5Si3 为增强相、以共晶Ti5Si3/ NiTi2 为基的耐磨复合材料涂层，该复合材料涂层具有极低的磨损速率和很低的摩擦系数，相比钛合金基材，该涂层耐磨性可提高140 倍以上、摩擦系数降低一倍以上。孙荣禄等在TC4 基体上采用NiCrBSiC 合金粉末通过激光熔覆制得了熔覆层，其显微硬度为HV900 ～HV1000，比基体提高了2 ～3倍。熔覆层在大气下和真空中的摩擦因数分别为0.3 ～0.4 和0.4 ～0.5。管丽娜等在BT20 钛合金上用65.91Cr-28.61Ni-5.48Si 合金粉末进行激光熔覆制得了熔覆涂层，其组织中的增强相为Cr13Ni5Si2，涂层具有优异的干滑动磨损性能。文献研究了在钛合金表面以NiCrBSi+高熔点超硬陶瓷颗粒为熔覆材料制备复合涂层，所加入的高熔点超硬陶瓷颗粒为WC、TiC、SiC、B4C 等碳化物陶瓷颗粒。

2 研究展望

国外对大功率激光器和激光表面防护技术方面的研究开发较早，与国外相比，我国该领域的研究起步较晚，但随着我国对航空航天技术的日益重视及近年来大功率激光器的逐步发展，钛合金激光表面防护处理的研究正在逐步趋向系统化。目前对钛合金激光表面防护的研究热点主要为优化涂层的组分和工艺，优化组织结构，对防护处理过程中的冶金过程、组织演变的研究较少。然而，将激光处理与其它先进表面处理技术相结合制备出多层复合薄膜，将会使处理工艺和质量进一步提高。因此，在未来的钛合金表面防护方面，激光将会得到越来越广泛的应用。

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