钛合金表面处理技术的新进展_下_.kdh

2009·034Information

of Surface Engineering

表面工程资讯科技进展责编：柳 斌

◎ 信世堡（海军装备部991工程办公室）

钛合金表面处理技术的新进展（下）

（接上期）

状混合组织，中部和下部为细小、杂乱的针状组织；扫描速度较高时，则只生成很薄的一层针状TiC组织；而当扫描速度高于20 mm/s以后，激光表面合金作为现代化的表面处理技术，激光表面处理是研层中几乎没有TiC生成。在其他工艺参数保持不变的究工作者的重点，其应用相当活跃，也一直处于前情况下，扫描速度越低，表面改性中TiC所占的体积沿。激光表面处理又分为激光表面合金化和激光表分数越高，但光束扫描速度过慢时，由于熔池汽化严面熔覆技术，两者之间既有相似性又有原则性的区重，也不能形成满意的合金层。

别。

陈红兵等在TC4合金表面获得氮化深度约400 μm的大量均匀分布的细小TiN组织，使钛表面的硬度提高了一倍左右，显微硬度约10 900 MPa。

激光表面合金化是在基体的表面熔融层内加入合金属间化合物Ti Si 具有高熔点、高温稳定性及高金元素，从而形成以基材为基础的新的合金层，达到53温抗氧化性能优异等突出的特点，在常温及高温条件表面改性的目的。它是在高能束激光作用下，将一种下均是一种优异的耐磨材料。蒋平等人利用Si粉对或多种合金元素与基材表面快速熔凝，从而使材料表TC4合金进行激光表面合金化，形成以大量初生及共面具有相当于高合金耐磨、耐蚀、耐热等特性的技晶Ti Si 耐磨相为增强相的耐磨复合材料表面改性层，术。

53该改性层具有很高的硬度且沿层深方向具有较为理想激光表面合金化主要机理是可使改性后构件的表的梯度渐降特点。经激光表面合金化处理后的试样与面性能满足应用要求，而不会牺牲构件的整体性能，未经处理的原始试样相比，其耐磨性提高幅度可达这自然就节省了大量昂贵或稀有材料。使用大功率激235倍之多。张志民等对Ti -6Al -4V激光TiC合金化涂层光器产生表面涂覆层的另一优点是，它可以1 mm /s数的试样作了研究，合金化表层存在的TiN/TiC白层，量级的平均速度产生厚度为10 μm 至1 mm 的涂覆结构特殊，对磨损行为有特殊的价值，因此，具有极层，这样高的处理速度可以得到快速凝固组织，且对佳的磨损抗力，该组织硬度高达22~25 GPa，其耐磨基材热影响甚微。由于在构件的表面形成了合金，因性显著提高，为原基材的5~20倍。

此，基体和合金化表面之界面结合牢固。当使用预合刘秀波等以NiCr -Cr C 混合粉末为原料，通过激32金化粉末时能产生致密无孔隙合金，且具有均匀的化光表面合金化，在Ti -8Al -2Cr -2Nb基材表面制得了以学成分和显徽组织。

抗腐蚀及抗氧化性能良好的γ-NiCrAl镍基固溶体为基钛合金表面激光合金化主要集中在TiN涂层、体、以TiC及Cr C 等碳化物为主要耐磨增强相的复合23TiC涂层、Ti Si 耐磨相的制备。

53材料表面改性层。该表面层具有较好的抗高温、抗氧何秀丽等利用元素碳对TiAl金属间化合物合金进化性能和很高的硬度、较高的耐磨性。行激光表面合金化，制得了以硬质TiC为增强相的快速凝固“原位”复合材料表面改性层，研究了激光扫描速度对激光表面改性层显微组织的影响。

激光熔覆技术则是利用粉末预置法或自动送粉法扫描速度较低时，熔区表层为致密的胞状及胞枝在被涂覆基体表面上放置和基体成分不同的材料，经

3 激光表面处理

3.1 激光表面合金化

3.2 激光熔覆技术

2009·03

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表面工程资讯激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝NiCrBSi涂层；激光熔覆BN和BN -NiCrCoAIY 涂层固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的表面等。

涂层，形成金属覆盖层的工艺过程。

孙荣禄等研究了钛合金表面激光熔覆TiC/Ni基合激光熔覆技术是一项新兴的零件加工表面改性技金复合耐磨涂层，在TC4合金表面制备出与基底结合术，其表面处理上的应用可以极大地提高零件表面的良好，以TiC颗粒为增强相的Ni基金属陶瓷复合涂硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能以及材料层。该复合涂层的摩擦因数于大气环境中在0.3~0.4之的使用寿命。激光熔覆技术节约成本，提高零件质间，于真空环境中在0.4～0.5之间，在大气环境中的量，广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械磨损率比TC4合金降低约一个数量级，在真空环境中等各个方面。

的磨损率比TC4合金降低约一倍。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔孟庆武等人，采用CO 激光器对TC4表面以2覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光NiCrBSi、NiCrBSi+B C和B C+Ti三种材料体系的预涂44熔覆参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉层进行激光熔覆工艺研究。结果表明，在相同激光熔速度、扫描速度、熔池温度等，它们对熔覆层的稀释覆工艺条件下， NiCrBSi+B C材料涂层是三种材料体4率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着系中最好的。究其原因是在激光熔覆过程中，很大影响。同时，各参数之间也相互影响。激光熔覆NiCrBSi+B C材料中的B C和Ti发生反应，原位生成高44是一个非常复杂的过程，必须采用合适的控制方法将硬度增强相(TiB 和TiC)，对涂层有强化作用。而加入2各种影响因素控制在熔覆工艺允许的范围内。

NiCrBSi自熔合金会降低反应的剧烈程度，大大减少激光熔覆技术的主要特点：（1）可以通过混合裂纹和气孔的产生，从而得到质量良好的激光镍基复不同成分的涂层材料进行成分设计，得到均匀致密的合涂层。

冶金结合涂层；（2）涂层的稀释度可以降至最低，刘录录等利用CO 激光器进行激光熔覆试验，将2从而得到所设计的表面性能；（3）激光加热和冷却Cr C /Ni基合金混合粉末预置在TC4合金表面，32速度极快，易获得涂层组织结构的改善；（4）局部Cr C 颗粒充分溶解，Ti原子优先获得了C原子，从而32表面区域的快速熔覆对基体的热影响甚微。热影响区原位合成了增强相TiC颗粒，得到与基底成良好冶金小，与基面形成冶金结合，熔覆件扭曲变形比较小，结合的Ni基Cr C 金属陶瓷复合涂层。Ni+Cr C 复合涂3232易实现选区熔覆；（5）涂层厚度可控，可完成工件层存在γ-Ni、TiC、Cr C 、M (C，B)6和CrB等相，涂7323的修复处理，工艺过程易实现自动化。

层显微硬度由熔覆层到热影响区呈阶梯状分布，熔覆钛合金表面激光熔覆技术主要也是形成TiC、层与结合区之间硬度提高比较明显，达到了一定的增TiN涂层和复合涂层，由于复合涂层是应用材料的互强效果，熔覆层硬度在600～900 HV之间。

补作用得到的涂层，消除了单一涂层存在的开裂、气杨玉玲等用YAG脉冲激光作为辐射源，TiCN粉孔等对材料有致命影响的缺陷，形成的涂层综合性能末为熔覆材料，高纯N 作为氮化元素和保护气体，利2优异，是目前研究最多也是最深入的表面处理技术之用激光熔覆-激光气体氮化(LC -LGN)方法，在TC4钛一。

合金表面制备了以TiCN和TiN为主的复合熔覆层。处Ayers等人在TC4合金表面激光熔化注射了TiC粒理后样品的显微硬度由原始3.3 GPa提高到14 子，使表面硬度HV提高了约4 600 MPa。随后，他们GPa(HV0.2)左右，显微硬度提高了近4倍。

又考察了钛合金表面激光熔覆TiC和WC涂层的磨损行孙荣禄等采用激光熔覆技术在TC4合金表面制备为，发现熔覆层的耐磨性能与碳化物颗粒的类型、尺了TiC和TiC -NiCrBSi涂层。结果表明，激光熔覆层存寸和加入量密切相关，使得TiC涂层技术的研究和应在三个组织不同的区域，由表及里依次为：熔覆区用更加深入和广泛。

(CZ)、稀释区(DZ)和基底热影响区(HAZ)。熔覆区的孙荣禄等采用连续波CO 激光在钛合金表面熔覆2组织是在NiCrBSi合金的基体上分布着TiC颗粒；稀释TiN陶瓷涂层，TiN激光熔覆层的硬度由表及里逐渐降区呈细小的树枝晶形态；为基底TC4合金和熔覆材料低，表层硬度在900 HV以上，底层硬度约为500 HV，NiCrBSi合金的混熔区；基底热影响区为针状马氏体TC4合金基体的硬度约为350 HV，激光熔覆TiN涂层组织。

使钛合金表面硬度提高了150～550 HV，明显地改善Molian等在Ti-6AI-4V 合金表面激光熔覆BN和BN-了TC4合金的磨损性能。

NiCrCoAIY 涂层，熔覆层的硬度在800～12 000 MPa之复合涂层有TiC/Ni基合金复合耐磨涂层；镍基复间，磨损率比时效硬化和激光熔凝的钛合金降低1～2 合涂层；高硬度增强相(TiB 和TiC)Ni+Cr C 复合涂232个数量级。

层；TiCN和TiN为主的复合熔覆层；覆TiC和TiC -（参考文献，略）