钛合金激光表面改性技术的发展现状
激光设备
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2023-02-10
激光表面淬火主要利用高能激光束照射到金属或合金表面，所产生的热效应使基材表面形成不超过熔点的固态加热过程。同时，利用基体材料存在同素异构转变结合激光加热及材料自激冷却效应，最终在金属表面形成相变强化。对于钛合金而言，自20世纪开始国内外便有这方面的研究。戴振东等通过面扫描激光淬火手段显著提高了TC11钛合金的硬度，且其摩擦系数可降为原来0.2～0.3，抗微动磨损能力提升了123倍之多，极大提高了合金表面性能。张宏等对TC11钛合金进行了表面组织及性能的工艺优化。结果表明，激光淬火可使表面组织明显细化，且硬度及耐磨损能力有所改善。张奇等通过对激光自淬火快凝处理的各类钛合金的研究，证实了自淬火处理不仅使合金的α和β等晶粒组织得到细化，且表层化学成分更加趋于均匀化，淬火后的偏析比可由原始态的1.28降至1.04，淬火层内没有发现孔洞、裂纹等缺陷，可得到光滑、均匀的合金表面。激光表面重熔是在氩气气氛保护下，用激光束辐射材料表面，使基体表面快速熔化和凝固，从而使材料组织细化、性能提高的方法。郭纯等利用激光束对TC4合金表面进行了激光重熔处理，显微观察后基体表面组织细化，同时硬度和耐磨性等表面性能也明显提高。另外有研究者采用Nd∶YAG激光对TiNi合金表面重熔处理，熔覆层与基体冶金结合良好，可形成连续、致密的钝化膜，耐腐蚀性能显著增强。戴景杰通过对TA2工业纯钛进行激光表面重熔处理，其认为表面耐磨性的改善是由于熔凝过程中所产生的晶格畸变、细晶强化和位错强化等作用。然而，表面重熔并不是对所有的钛合金材料性能都有所改善，其性能也存在恶化的可能。研究表明，TA15钛合金激光表面熔凝后形成的β晶粒组织发生异常粗化。徐勃对TiZr合金进行激光表面熔凝处理后，发现受热重熔区组织均为粗大片状β晶粒，改性区的显微硬度均低于基体，同时耐磨性能也没有明显的提升。激光表面修复可归为激光成形修复技术的一个分支，也是激光成形技术和激光熔覆技术的综合，是在金属零件修复领域进一步的应用与发展。利用激光表面修复技术可以消除钛及钛合金表面所存在的缺陷。邓德伟等验证了激光修复可愈合钛合金表面的裂纹，经过激光修复处理后，改性区周围基体硬度值有所升高，改性区与热影响区间的硬度变化曲线相对平缓。宫新勇等采用激光连续扫描方式对TC11钛合金叶轮进行激光熔化沉淀修复，实验验证叶轮性能完好，实现了零件的完美修复。崔爱永等通过激光熔覆修复技术在TC4合金表面可获得内部无裂纹的Cr2O3/Ti熔覆层，改性层表面光洁且与基材良好冶金结合，从而实现了压气机叶片损伤件的激光修复。激光表面合金化是利用高能量激光束快速加热融化材料表面，促使表面发生合金化反应，从而改善合金表面性能的方法，可分为表面气体合金化和表面粉末合金化。气体合金化所引入的气体主要为N2或其混合气体，又称为激光气体氮化。它是在氮气气氛下，利用高能激光束将氮气激活为氮原子，高温作用使材料表面熔化，活性N原子与液相金属熔池中的Ti发生合金化反应，形成硬质相TiN。王培等采用Nd∶YAG激光器在对TA2纯钛进行激光气体氮化处理后，发现材料表面的摩擦系数为0.22左右，为基体的1/4左右，耐磨性能大大提高。同时，氮化强化区域的分布越密集，摩擦系数值越小，耐磨性越好。自氮化表面向基体内部延伸方向的显微硬度分布曲线表明，激光气体氮化可改善钛合金表面的硬度。激光表面粉末合金化是利用激光的高能量并快速加热特性，使基体表面和添加的合金粉末熔化反应凝固，形成以基体材料为基的表面合金层。戈晓岚等采用高能激光束在TC4合金表面与Ti、Al、Nb混合粉末合金化反应后生成TiAlNb合金涂层，合金涂层硬度沿涂层深度方向呈平缓过渡，由内及外逐步升高，涂层平均硬度比TC4基体显著提高，且摩擦系数有所降低，耐磨性比基体提高了近3倍。刘庆辉等将Ti/Si/C单质元素混合粉末涂到TC4合金表面，采用激光合金化技术在基体表面生成合金涂层。研究发现合金涂层由Ti、Si、C的化合物组成，涂层的平均显微硬度值比基体提高80%，涂层的平均摩擦系数约为0.38，较基体下降16%左右，表面硬度及耐磨性显著提升。激光表面熔覆也可归为表面改性技术的一种，是激光表面修复的基础。它是利用高能密度的激光束使添加熔覆材料与基材表面一起熔凝的技术，在基层表面形成熔覆材料与基体良好冶金结合的熔覆层。其熔覆过程示意图如下图所示。
激光熔覆处理示意图激光熔覆过程伴随着激光合金化，但与单纯的激光合金化相比，熔覆层材料并未与基体充分混合发生合金化反应，其更能够体现出熔覆材料的特殊性能。目前，用于钛及钛合金表面激光熔覆的材料体系很多，所包含的元素以C、B、N、Si、Ni为主。根据熔覆层的成分和性能，可将制得涂层分为耐磨涂层、抗高温氧化涂层、生物涂层和热障涂层等。钛合金的耐磨性相对于其他性能较差，因此其激光表面改性更多的侧重于提高基体的耐磨性。一般而言，耐磨涂层中的硬质相含量越高，则硬度越高且耐磨性越好。能够改善钛合金耐磨性熔覆材料很多，其中主要有B、C、Ni、Si、B4C、Cr2C3、TiC、BN、SiC、TiB、TiB2和Al2O3等。吴少华等以NiCr/Cr3C2和WS2复合粉末为原料，通过对比不同WS2添加量的激光熔覆NiCr/Cr3C2复合涂层研究其耐磨性能的改善情况，结果显示当在熔覆材料中添加20%的WS2时复合涂层具有最佳的耐磨性能。研究认为适量WS2的加入可形成自润滑相，进而表现出良好的耐磨减摩性能。孙荣禄等采用激光器对TC4样品表面进行激光熔覆实验，以Ni和MoS2混合粉末为涂层材料，熔覆过程中样品表层与混合粉末及混合粉末相互之间均发生冶金反应，在熔覆层的树枝状TiC枝晶中均匀混杂球状CrxSy颗粒，在提高耐磨性的同时降低了其摩擦系数。Liu等选用Co基合金粉末为熔覆材料，利用激光熔覆技术获得细小树枝状和颗粒状增强相的钴基复合涂层，经磨损试验机测定基体与熔覆层耐磨性能，发现熔覆层磨损率仅为基体的1/12，耐磨性显著提高。Weng等在TC4合金表面激光熔覆TiN和Co基混合粉末，结果表明可在熔覆层形成具有优异的耐磨性能的Co/Ti金属间化合物及弥散强化相，且随TiN粉末添加量的增加，复合涂层的耐磨性会进一步提高。工程应用结构件常常会在高温条件下长期服役。为降低或避免高温工作气氛中的O、S、N等元素与基体发生化学或者电化学反应，一般会在其表面构筑一层致密的耐高温防护层，从而保护基体不被破坏。余鹏程等利用激光熔覆技术，以NiCr-Al-Si的合金粉末为熔覆材料在TC4合金表面制备复合涂层，本方法可得到由Al2O3、NiO、TiO2、NiCr2O4等化合物均匀混合的具有连续致密结构的熔覆涂层，实验测得该涂层具有比基体高7～9倍的高温抗氧化性。Liu等在TC4合金表面激光熔覆了TiN+Ti3Al混合粉末，并制备出了由α-Ti、TiN、Al2O3和TiO2等混合相组成的复合涂层。他们对其分别在600和800℃条件下进行了等温氧化试验。实验表明，所制备复合涂层相较于钛合金基体可体现出更佳的抗高温氧化性能。航空航天、燃气涡轮发动机等环境中的作业温度已达到高温合金材料的极限承受温度。合金材料热障涂层是将金属材料的性能与陶瓷材料的耐高温优点结合，以发挥出陶瓷材料的隔热作用，使零部件能够在高温条件下正常工作。单晓浩等利用激光熔覆技术将Nb、Al、Ti混合粉末制备出抗高温热障涂层，研究发现涂层的抗高温氧化性能与合金中Ti的偏析程度和Nb2Al化合物的含量有关。当Ti质量分数为15.18wt%时，合金中Ti的偏析程度最低，涂层抗氧化性最佳。鉴于疏松多孔的TiO2是造成TC4合金抗氧化性能较差的主因，徐江宁等将NiCrNiSi混合粉末激光熔覆于其表面。实验表明，由连续致密的Al2O3和NiO组成的涂层氧化膜涂层能够有效阻止氧原子对基体的侵蚀，抗氧化性可明显增强。利用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆一层具有生物活性的涂层，使钛合金植入体表现出更优越的生物相容性。李福泉等在TC4表面熔覆羟基磷灰石生物涂层，物相分析涂层主要由α-Ti、Ti3P、TiO、CaTiO3等硬质陶瓷相组成，且陶瓷相结合良好，表面均匀、平整，耐磨性及生物润湿性表现良好。另外，为保证了钛合金基体形成均匀、平整、具有牢固的冶金结合的生物涂层，通过熔覆梯度涂层，多次熔覆，防止涂层结构、应力突变来降低内应力。石磊等采用在TC4表面熔覆纯HA、混合HA及HA梯度涂层，对比实验得出HA梯度涂层表现出更加优异的性能，其与基体结合强度高，Ga/P比更接近自然骨，对应HA含量较多，生物活性更加优越。来源：中钛装备信息速览
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