郭华
佛山瑞鑫通科技有限公司
摘要：就现阶段钛合金表面激光熔覆研究现状进行了综述，包括激光熔覆材料的研究进展和影响熔覆层质量与性能的因素，并展望了激光熔覆技术的发展前景及方向。
关键词：钛合金;激光熔覆;材料体系;影响因素
引言
工业纯钛及其合金因强度高、生物相容性好而应用广泛，但其表面硬度低、摩擦因数大、耐磨性差、抗高温氧化和耐腐蚀性差限制了其应用。尽管TC４合金相比于纯钛力学性能有所提高，但植入人体后咬合摩擦过程容易发生严重磨损，合金中的V5＋和AL3＋离子进入人体并引起疾玻激光熔覆技术是钛合金发展最快的表面改性技术。激光熔覆技术具有冷却速度快（105-108℃／ｓ）、加热速度快、冶金结合好、熔覆层组织致密且可控等优点。此外，激光熔覆技术还具有如下特点：残余应力低、裂纹少、涂层组织微细致密、微观缺陷小；选择较宽范围的合金材料以获得与基体冶金结合的涂层，并且改性层不容易剥落；涂层可通过激光束的各类参数进行控制，且激光对基体影响小；局部加热以减少热损及变形；自动化生产并精确控制粉末材料的量和改性层的厚度；热循环小，熔覆层稀释率很低。
1激光熔覆材料选择
1.1自熔性合金
自熔性合金在激光熔覆过程中具有脱氧和造渣的功能。如B和Sｉ被氧化成B２O２、SｉO２，又在熔池表面与合金中元素氧化物形成硼硅酸盐熔渣，在熔覆层表面形成抗氧化薄膜，而且改善涂层对钛合金基体的润湿能力，获得具有低稀释率、低孔隙率、较少杂质和良好冶金结合的致密涂层，常用的有Nｉ基、Cｏ基和Fｅ基３类。Nｉ基自熔性粉末主要由NiBSi和NiCｒBSi组成，后者应用更广泛，其综合性能良好、工艺性能优异。研究了NiCoCr－ALY和NiCｒBSi涂层后发现，二者均能产生细晶强化、固溶强化效应，另外，NiCｒBSi涂层中存在TiB２、TiC和CrB等高硬度第二相强化相，提高钛合金的硬度及耐磨性，两种涂层硬度（HV）为基体硬度的３倍。Co基合金因熔点低、自熔性好、耐热、耐磨、抗氧化和耐蚀而应用广泛，但其成本较高，限制了其使用。Cｏ基合金很少单独使用，而是同Cｒ、Nｉ、W、Fｅ、Sｉ、Nｂ、Tａ等元素配合使用，与ＷC、TｉC、SｉO２、TｉN、B４C、AL２O３、SｉC及ZｒO２等硬质陶瓷相组成复合粉末。若再弥散分布Cｒ７C３和ＷＣ等碳化物以及CｒB等硼化物，表面涂层会有更高的抗氧化性、耐磨性和红硬性。Fｅ基合金优点是成本低，但抗氧化性差，自熔性也较差。在TC４合金表面熔覆Cｏ基合金涂层，并分别添加TｉC、TｉN及B４C，以获得４种对比复合涂层，发现４种涂层的组织均呈颗粒状、树枝状和块状，并且涂层和基体实现了良好的冶金结合，其中TｉC使基体硬度提高３～４倍，耐磨性也得到改善；TｉN虽提高基体耐磨性，但在结合处产生裂纹；B４C因细晶强化、固溶强化和第二相强化作用，明显提高基体的整体性能。
1.2稀土元素
稀土元素在表面改性技术中的应用发展很快，常用于稀土化学热处理、等离子体稀土材料表面改性、激光表面合金化、热喷涂和激光熔覆等方面。稀土元素的添加可以显著增强涂层的力学性能，如涂层的弹性模量、断裂韧性、表面硬度和耐磨性。熔覆层耐磨性与熔覆层晶粒细化、共晶化合物增加和其形态的改善以及马氏体的相变等因素有关。而稀土元素的添加可以细化晶粒、改善熔覆层中共晶组织和化合物的形态与分布，并且可以减少熔覆层的稀释率和对裂纹的敏感性。通过SEM分析可以看到，稀土元素可以抑制二次晶的生长，与未添加稀土的涂层相比，添加稀土的涂层二次支晶更加短校在钛合金表面激光熔覆中常用的稀土添加物有CeO２和Y２O3，其它稀土元素及其氧化物很少见用于钛合金表面激光熔覆。在Co42自熔合金粉末中添加B4C和CeO２粉末，制作混合粉末，然后用激光将粉末材料熔覆于钛合金之上。形成的涂层主要由Co/Ni、CoTi２、CoTi、NiTi、TiC、Cr7C3、TiB２和TiB相组成。研究发现，稀土氧化物CeO２的添加对涂层组成相种类的影响不显著，但是细化了涂层的组织，增强了显微硬度及其耐磨性。与基体Ti-6Al-4V合金相比，添加稀土氧化物的涂层显微硬度和耐磨性分别提高了3．44～4．21倍和14．26～16．87倍。Li等通过激光熔覆在Ti-6Al-4V基体上制备TiB、TiC增强的钛基复合涂层。并研究了Y2O3对涂层的显微组织、显微硬度、断裂韧性和干滑动耐磨性的影响。通过观察显微组织，发现TiC和TiB颗粒均匀分散在粗大的胞状枝晶和枝晶间共晶组织中。添加Y２O3改善了初生相的组织，提高了微观组织的均匀性，提高了TiC的体积分数。涂层的平均显微硬度从725．30HV0．2提高到812．98HV0．2，并且平均断裂韧性从8．32MPa·m1/2增加到17．36MPa·m1/2。Y２O3的添加提高了涂层的抗微切割性和抗开裂性。通过磨损试验，发现添加Y２O3的涂层磨损表面更平滑，如图1所示，没有添加Y２O3的涂层磨损表面有很多细微的裂纹，并有碎片剥离。
1.3耐腐蚀涂层
常用的耐腐蚀涂层材料是CR基、Ｎｉ基、CO基自熔性合金加AL２O３、SｉC或B４C等硬质颗粒，涂层具有优良的抗高温和耐腐蚀性能。在熔覆涂层中添加微量稀土元素或稀土氧化物以改善熔覆层的耐腐蚀性能是研究的另一个热点。在30°的侵蚀角度下，激光熔覆AL２O３＋13%的TｉO２（质量分数）涂层，基体耐腐蚀性提高且涂层均一致密。在TCＣ４表面进行熔覆试验，采用腐蚀失重来测量试样的耐腐蚀性能，在TC４表面进行熔覆试验，研究添加稀土的复合涂层、未添加稀土的激光熔覆涂层和TC４基体的耐碱、耐酸和耐盐水性，发现第一种复合涂层对各种腐蚀具有最高的抵抗力。由于稀土可以通过细晶及均匀分布实现梯度涂层，提高晶界结合力，降低化学电位，进而提高涂层在酸、碱及生理盐液中的腐蚀性能。
结语
目前，由于钛合金较差的耐磨性及较低的硬度，大量学者对于钛合金激光熔覆的研究多集中在提高其耐磨性、硬度及耐蚀性上。并且主要集中在开发熔覆材料体系，如熔覆层的基材、强化相和稀土等。通过找到合适的材料和工艺参数来弥补钛合金材料的缺陷，并减少熔覆层的微观缺陷、残余应力等。常用改善熔覆层的方法有添加增强相或原位反应生成增强相，通过添加稀土元素细化晶粒，改善涂层韧性等。但是，也有一些研究者开始用一些更新的研究方法研究钛合金表面激光熔覆。比如将激光熔覆和计算机数值模拟结合，或者利用超声波辅助激光熔覆等方式，这给我们研究钛合金表面改性提供了新的思路，这一方向在未来也有很大的发展空间。
参考文献
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论文作者:郭华
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：涂层论文; 激光论文; 覆层论文; 基体论文; 表面论文; 稀土论文; 合金论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;