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钛合金表面上两种镍基合金粉的激光熔覆研究St udy of Laser Cladding Two Ni2base AlloyPowders on Titanium Alloy耿 林,孟庆武,郭立新(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)GEN G Lin,M EN G Qing2wu,GUO Li2xin(Harbin Instit ute of Technology,Harbin150001,China)摘要:分别以NiCrBSi和NiCoCrAl Y为预涂粉,采用CO2激光器,在Ti26Al24V合金表面进行激光熔覆镍基合金涂层的研究。
通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对涂层进行分析,对比两种镍基合金粉的激光熔覆性能。
分析发现,NiCrBSi涂层组织以γ2Ni为基体,含有Ni3B,TiB2,TiC,CrB等多种增强相,而NiCoCrAl Y涂层组织主要为固溶多种元素的Ni基过饱和固溶体。
NiCoCrAl Y涂层组织以固溶强化和细晶强化为主,NiCrBSi涂层组织以第二相强化为主。
虽然NiCoCrAl Y粉比NiCrBSi粉的激光吸收率高,可以得到较厚的涂层,但是含有多种硬质增强相的NiCrBSi涂层硬度高于NiCoCrAl Y涂层。
关键词:激光熔覆;涂层;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;钛合金中图分类号:TB333 文献标识码:A 文章编号:100124381(2005)1220045203Abstract:U sing a CO2laser,a process of cladding Ni2base alloy coatings on Ti26Al24V wit h pre2 placed NiCrBSi and NiCoCrAl Y powders was st udied1The coatings were examined using XRD, SEM and EDS1The quality of two Ni2base coatings wit h different powders was compared1NiCrBSi coating was compo sed ofγ2Ni mat rix and CrB,Ni3B,TiB2and TiC reinforcement s1NiCoCrAl Y coating mainly consisted of Ni2base supersat urated solid solution1NiCoCrAl Y coating was st rengt h2 ened wit h solution strengt hening and grain refinement1NiCrBSi coating was mainly st rengt hened wit h several reinforcement s1Alt hough laser absorptivity of NiCoCrAl Y powder was higher t han t hat of NiCrBSi powder and t hick NiCoCrAl Y coating can be obtained,hardness of NiCrBSi coating containing several reinforcement s was higher t han t hat of NiCoCrAl Y coating1K ey w ords:laser cladding;coating;NiCrBSi;NiCoCrAl Y;titanium alloy 钛合金虽已在航空和航天部门广泛使用,但由于摩擦系数大、耐磨性差,其工程应用范围仍受到限制。
钛合金表面激光熔覆涂层的耐磨性能杨胜群;孟庆武;耿林;吴林;李爱滨【摘要】为了提高钛合金的表面耐磨性能,采用MXP-2000型销盘式摩擦磨损实验机,以镍包石墨粉末为原材料,利用CO2激光器在TC4合金表面上熔覆耐磨涂层,进行钛合金及激光熔覆涂层的干摩擦磨损实验,并用扫描电镜对磨损表面进行观察和分析.实验结果表明,激光熔覆涂层的摩擦系数为0.56,与钛合金的摩擦系数基本相同,但激光熔覆涂层的磨损失重量比钛合金低接近一个数量级,说明激光熔覆涂层可以大大提高钛合金的表面耐磨性能.TC4合金的磨损机制以粘着磨损为主,激光熔覆涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,涂层的高硬度加上涂层里的TiC增强相是其耐磨性高的主要原因.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(031)005【总页数】3页(P473-475)【关键词】材料;耐磨性能;激光熔覆涂层;镍包石墨【作者】杨胜群;孟庆武;耿林;吴林;李爱滨【作者单位】哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;大庆石油学院,大庆,163318;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG665引言钛合金具有很高的比强度、很强的耐腐蚀性、优良的高温和低温性能，是航空和航天工业广泛使用的高性能材料。
但钛合金的摩擦系数大、耐磨性差[1]，极大地限制了其在工程上的应用范围。
多年来，材料工作者对提高钛合金耐磨性的表面涂层技术进行了广泛研究，如电镀[2]、热喷涂[3]、激光淬火[4,5]等。
激光熔覆技术是表面涂层技术的一种，其利用高能激光束将粉末原材料熔凝到金属表面上，得到不同于母材的增强涂层[6]。
用激光在钛合金表面熔覆一层增强涂层，能够显著提高其耐磨性能。
镍包石墨是一种以石墨为核心，表面包裹金属镍的双组份粉末材料[7]。
关于钛合金表面激光熔覆熔覆体系的总结概况钛合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料。
其中，自熔性合金材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金三大系列。
其主要特点是含有强烈脱氧和自熔作用的硼元素和硅元素。
这类合金在激光熔覆时，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆层表面形成薄膜。
这种薄膜既能防止合金中的元素被过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中的夹杂物和含氧量，易获得氧化物含量低、气孔率少的激光熔覆层。
硼和硅还能降低合金的熔点，改善熔体对基体金属的润湿能力，对合金的流动性及表面张力产生有利的影响。
自熔合金的硬度随合金中硼、硅含量的增加而提高。
这是由于硼、硅元素与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。
1.镍基合金粉末镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高。
镍基合金的合金化原理是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化,运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。
镍基自熔性合金粉末中各元素的挑选正是基于以上原则来选择的，而合金元素添加量则依据合金成形性能和激光熔覆工艺来确定。
目前，镍基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两种，前者硬度低，韧性好，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基础上加入适当的Cr而形成的。
Cr能溶于Ni中形成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性。
Cr还能与B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si 含量，可使熔覆层硬度从25HRC提高到60HRC左右，但熔覆层的韧性相应却有所下降。
这类合金中实际应用较多的是Ni60和Ni45。
另外，通过增加其成分中Ni的含量，可使裂纹率明显下降。
钛合金表面激光熔覆固体自润滑涂层王培;叶源盛【摘要】综述了激光熔覆技术在钛合金表面制备固体自润滑涂层的研究现状.采用激光熔覆技术可以在钛合金表面制备出具有优异减摩性能的固体自润滑涂层,其减摩效果与所选用的激光器、熔覆材料的成分配比、添加剂的添加方式等有密切关系.最后指出了今后该技术的发展方向:①开发高水平的激光熔覆设备;②开发新型熔覆材料体系,使其能应用于不同的环境和很宽的温度范围中;③开发多层涂层、智能涂层(如自修复功能)和梯度涂层;④对激光表面熔覆处理过程进行数值模拟,实现激光熔覆过程的定量控制.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2015(032)004【总页数】5页(P8-12)【关键词】钛合金;表面改性;激光熔覆;自润滑涂层【作者】王培;叶源盛【作者单位】西北有色金属研究院,陕西西安710016;西北有色金属研究院,陕西西安710016【正文语种】中文钛的硬度低，耐磨性能差，在使用过程中由摩擦所导致的磨损失效是其应用的瓶颈。
虽然通过提高钛合金运动副的表面硬度，可以提高其耐磨性，但在很多情况下却会导致对磨件的严重磨损，危害更大。
在钛合金零件实际承受接触摩擦磨损的表面制备一层具有优异耐磨性能、低摩擦系数、与基体材料为可靠冶金结合的固体自润滑涂层，是解决钛合金磨损失效的有效方法［1］。
早期常见的固体自润滑涂层的制备工艺主要有化学镀、电镀、热喷涂、PVD、CVD等，存在的缺点为涂层较薄，且与基体机械结合，结合强度低，涂层受一定摩擦时易剥落，反而加速零件磨损。
目前较先进的制备工艺有等离子增强化学气相沉积、等离子辅助物理气相沉积、非平衡磁控溅射、超音速火焰喷涂等，虽然在很大程度上提高了涂层的组织致密性，减少了裂纹、孔洞等缺陷，但是这些方法与早期传统制备工艺存在同样的缺点，即涂层与基体属机械结合，结合强度低，可靠性差［2］。
激光熔覆技术用于制备固体自润滑涂层的时间较短，但其拥有独特的优点，如能量密度高、热影响区小、厚度可控、熔覆层致密，特别是熔覆层与基材实现冶金结合、可以选择性的处理工件特定表面等，被认为是目前最具发展前景的技术之一。
钛合金表面激光熔覆高熵合金钛合金是一种广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗器械等领域的重要结构材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。
然而，钛合金在一些极端环境下，如高温、高压、强腐蚀性环境下，仍然面临着一定的挑战。
为了进一步提升钛合金的性能，可以通过激光熔覆技术在其表面涂覆高熵合金。
高熵合金是近年来发展起来的一种新型材料，由于其具有高度均匀的成分分布和一定的稳定性，逐渐受到工程界的关注。
高熵合金由多种元素组成，相较于传统合金，高熵合金的成分比较复杂，因而具有非常特殊的结构和性能。
高熵合金具有较低的热传导率、高的熔点和较好的耐腐蚀性能，这些特点使得高熵合金在面对极端环境时具有更好的表现。
激光熔覆技术是一种将激光束、高能密度激光束照射于特定材料表面，使其迅速熔化并与基材混合的方法。
激光熔覆可以在钛合金表面形成一层非常薄的高熵合金涂层，从而能够改善钛合金的性能。
激光熔覆的优点在于能够选择多种不同元素的粉末作为原材料，通过调整熔覆工艺参数，实现合金材料的多种组分优化。
钛合金表面激光熔覆高熵合金的方法一般分为两步。
首先，在钛合金表面预先涂覆一层高熵合金原材料的粉末。
随后，利用激光束对涂层进行熔覆。
激光的高能量密度可以将粉末迅速加热熔化，形成液态合金，并与钛合金基材发生冷凝反应。
熔覆过程中，粉末中的元素会与基材中的元素发生扩散，形成均匀的合金结构，并与基材牢固结合。
因此，激光熔覆技术可以在表面形成一层具有高熵合金结构的涂层。
通过激光熔覆高熵合金在钛合金表面形成的涂层，具有很多独特的性能优势。
首先，高熵合金涂层具有较低的热传导率，可以有效降低热应力和热疲劳现象的发生，提高材料的热稳定性。
其次，高熵合金涂层具有很高的熔点，可以保护钛合金基材免受高温腐蚀的侵蚀。
此外，高熵合金涂层还具有较好的耐腐蚀性能，可以有效抵抗强腐蚀性介质的侵蚀。
最后，高熵合金具有高硬度和较好的耐磨性能，可以提高钛合金的抗磨损性能。
总的来说，钛合金表面激光熔覆高熵合金是一种有效提高钛合金材料性能的方法。
关于钛合金表面激光熔覆熔覆体系的总结
概况
钛合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料。
其中，自熔性合金材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金三大系列。
其主要特点是含有强烈脱氧和自熔作用的硼元素和硅元素。
这类合金在激光熔覆时，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆层表面形成薄膜。
这种薄膜既能防止合金中的元素被过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中的夹杂物和含氧量，易获得氧化物含量低、气孔率少的激光熔覆层。
硼和硅还能降低合金的熔点，改善熔体对基体金属的润湿能力，对合金的流动性及表面张力产生有利的影响。
自熔合金的硬度随合金中硼、硅含量的增加而提高。
这是由于硼、硅元素与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。
1.镍基合金粉末
镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高。
镍基合金的合金化原理是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化,运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。
镍基自熔性合金粉末中各元素的挑选正是基于以上原则来选择的，而合金元素添加量则依据合金成形性能和激光熔覆工艺来确定。
目前，镍基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si两种，前者硬度低，韧性好，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基础上加入适当的Cr而形成的。
Cr能溶于Ni中形成镍铬固溶体而增加熔覆层强度，提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性。
Cr还能与B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆层的硬度和耐磨性。
增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si 含量，可使熔覆层硬度从25HRC提高到60HRC左右，但熔覆层的韧性相应却有所下降。
这类合金中实际应用较多的是Ni60和Ni45。
另外，通过增加其成分中Ni的含量，可使裂纹率明显下降。
原因在于Ni是一种强扩大奥氏体（γ）相区元素，增加合金中Ni含量，会使韧性相增加，从而增加了熔覆层的塑韧性；Ni含量的增加
也降低了熔覆层的热膨胀系数，从而降低了熔覆层的残余拉压力，可显著减少裂纹率和缺陷的产生。
但Ni含量并不是越多越好，过高的Ni含量将会损害熔覆层的硬度，使熔覆层达不到所需性能。
2.钴基合金粉末
钛合金表面激光熔覆钴基合金粉末具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性能。
目前，激光熔覆用钴基自熔合金粉末是在Stellite合金的基础上研制的,合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C，此外添加B和Si增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金。
但B含量过多会增加合金的开裂倾向。
钴基合金具有良好的热稳定性，在熔覆时很少发生蒸发升华和明显的变质；另外，钴基合金粉末在熔化时具有很好的润湿性，熔化后在钛合金表面均匀铺散，有利于获得致密性好和光滑平整的熔覆层，提高了熔覆层与基体材料的结合强度。
由于钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W，因此它具有良好的高温性能和综合力学性能。
Co与Cr可生成稳定的固溶体，由于含碳量较低，基体上弥散分布着亚稳态的Cr C 、MC和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物，导致合金具有更高的红硬性、高温耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。
3.铁基合金粉末
钛合金表面激光熔覆铁基合金粉末适用于易变形、要求局部耐磨的零件。
其最大优点是成本低且抗磨性能好，但熔点高，合金自熔性差，抗氧化性差，流动性不好，熔覆层内气孔夹渣较多，这些缺点也限制了它的应用。
目前，Fe基合金熔覆组织的合金化设计主要为Fe-C-X（X为Cr、W、Mo、B等），熔覆层组织主要由亚稳相组成，强化机制为马氏体强化和碳化物强化。
附表自熔性合金粉末体系的特点
4.复合粉末
钛合金表面在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co 基、Fe基自熔性合金已不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属陶瓷复合涂层。
其中，碳化物（WC、TiC、SiC等）和氧化物（ZrO 和Al O 等）研究和应用最多。
陶瓷材料在钛合金熔体中的行为特征有：完全溶解、部分溶解、微量溶解。
其溶解程度主要受陶瓷种类、基体类型控制，其次是激光熔覆的工艺条件。
在激光熔覆过程中熔池在高温存在的时间极短，陶瓷颗粒来不及完全熔化，熔覆层由面心立方的γ相（Fe、Ni、Co）、未熔陶瓷相颗粒和析出相（如MC、M C 等）组成。
激光熔覆层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。
实例
(一)
通过在钛合金表面激光熔覆原位TiC或（TiB+TiC）增强的钛基复合材料涂层可以在提高钛合金表面硬度和耐磨性的同时，保证涂层材科与基体的良好适配。
（二）
钛合金表面激光熔化沉积不同比例的Ti-Cr二元合金，制备具有较高硬度与基体良好匹配的表面改性涂层。
