钛合金表面缺陷的激光熔覆修复

激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成【摘要】对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa；激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8％.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)003【总页数】4页(P331-334)【关键词】TC4钛合金;激光冲击强化;激光熔覆;高周疲劳性能;残余应力;纳米晶层【作者】汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成【作者单位】空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038【正文语种】中文【中图分类】TG665TC4钛合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等特点，广泛应用于航空发动机风扇、涡轮等重要部件.在使用过程中，由于应力腐蚀开裂和疲劳的原因［1］，造成有部分航空发动机的部件达不到设计使用时限.如何对产生裂纹后的钛合金部件进行修复和强化，提高钛合金构件的疲劳强度，延长其服役寿命，提高其工作可靠性，已受到人们的关注.激光熔覆技术可对金属损坏部件进行高质量修复，与工业中常用的堆焊、氩弧焊和等离子喷焊等相比，具有热影响区小、工件变形小、熔覆区硬度高等优点［2］.因此，通过在材料表面形成保护层来提高材料的抗磨损、抗腐蚀性能，从而提高部件的可靠使用时间，现在激光熔覆技术已经在燃气轮机叶片和阀门座的修复中得到应用［3］.但激光熔覆可能产生结合力不足的拉应力层，以及高密度激光束引起的重熔会影响金属结构性能和疲劳性能.激光冲击强化(LSP)是一种新的表面处理工艺.通过高能量密度短脉冲(纳秒数量级)激光束产生的高强度冲击波引起材料表面改性，能够产生数百MPa的残余压应力，大幅提高材料的表面硬度、强度和疲劳性能［4］.国内对激光冲击强化用于提高材料焊接接头性能进行了很多研究［5］.许海鹰等［6］用脉宽30 ns、能量40 J的调Q掺钕玻璃激光对TC4钛合金钨极惰性气体(TIG)焊焊缝进行了激光冲击强化处理，处理后焊接区域表面硬度增加，热影响区晶粒得到细化.研究表明［7］，与传统表面处理工艺相比，激光冲击强化在表面下产生的纳米组织和残余应力使得金属具有较高热稳定性.对于发动机涡轮叶片等高温部件，热稳定性至关重要，而钛合金常用作涡轮叶片.为此，本研究主要进行激光冲击强化提高熔覆后钛合金的高周疲劳性能和抗应力腐蚀开裂性能的研究.1 材料与方法材料为TC4钛合金试样.TC4为中等强度的α+β型两相钛合金.TC4化学成分如下:w(Al)=5.500%～6.800%，w(V)=3.500%～4.500%，w(Fe)≤0.300%，w(C)≤0.100%，w(N)≤0.050%，w(H)≤0.015%，w(O)≤0.200%，w(Ti)其余.TC4熔覆工件规格140 mm×28 mm，厚度25 mm，处理区域60 mm×28 mm，如图1所示.激光熔覆所用的试验装置由RS－850型5 kW的CO2连续激光器、LPM－408四轴联动工作台、JPSF－2型送粉器、送粉嘴和辅助装置组成，载粉气体和激光熔池保护气体为氩气.粉末为TC4钛合金粉末，微粒为60～120 μm球体.熔覆参数如下:激光能量2400 W，扫描速度为8 mm·s－1，光斑直径为2.5 mm，送粉速度为5 g·min－1，重复率为30%.图1 试件及凹槽处理区域激光冲击强化试验在本单位开发的激光冲击强化系统YLSS－05A上完成.整套系统由SGH－60型高功率调Q脉冲Nd:YAG激光器、五自由度工件夹持运动平台、水约束系统和控制与监控系统4部分组成.激光器参数:激光波长为532 nm，激光能量为6 J，功率密度为4 GW·cm－2，脉宽为10 ns，光斑搭接率为70%，水约束层厚度为2 mm，吸收保护层为0.1 mm的铝箔.对基体、热影响区和修复区进行激光冲击强化，强化区域如图2所示.图2 激光强化区域和残余应力测试点示意图2 结果及分析2.1 显微硬度使用HVS－1000型显微硬度计，采用静态压痕法，加载重量为500 g，加载时间为10 s，每个区域测量5个点，取平均值.显微硬度测试结果如表1所示.表1 两种工艺处理后焊接件硬度比较工艺区域硬度/HV熔覆基体348±21修复区333±15热影响区315±18熔覆+激光冲击强化基体397±17修复区381±14热影响区370±23硬度反映了不同区域不同晶相组织和性能.与未进行激光冲击强化的修复件相比，激光熔覆+激光冲击强化处理过的试样基体、修复区和热影响区硬度都得到提高.根据Rabinowicz磨损定律［8］:式中:W是每单位滑行距离的磨损体积;P是实际载荷;H是磨损表面的硬度;K是磨损系数.可见，硬度增加时，摩擦系数峰值减小，硬度的增加能够提高材料抗磨损性能.2.2 残余应力采用X－350A X射线应力测定仪，试验执行GB 7704—87《X射线应力测定方法》的规定，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Cr-Kα辐射.在基体、热影响区、修复区按比例各选5个测试点进行测量，取平均值.测试点和区域示意图如图2所示，测量方向为轴向.残余应力测试结果见表2.表2 两种工艺处理后焊接件残余应力工艺区域残余应力/MPa激光熔覆基体－11.5±12.4修复区224.7±15.3热影响区28.4±15.8激光熔覆+激光冲击强化基体－671.8±13.6修复区－448.9±11.5热影响区－659.4±17.7由表2可知:激光冲击强化后在材料表面产生了残余压应力，基体的残余应力由－11.5 MPa增加到－671.8 MPa.激光冲击强化后修复区和热影响区的残余应力分别为－448.9 MPa和－659.4 MPa，而强化前的残余应力分别为224.7 MPa和28.4 MPa，为拉应力.其他研究者的结果也证实了激光熔覆会产生残余拉应力［3］.这是由于熔覆时凝固收缩引起的.对于多层结构，由热梯度下降和塑性流动对残余应力的解除作用减弱，从而在材料表面形成较高残余应力.材料表面残余压应力对材料抗疲劳强度有显著影响.残余应力在疲劳载荷中起着平衡应力的等效作用，残余压应力相当于负的平均残余应力，能提高工件抗疲劳强度;残余拉应力则会降低工件抗疲劳强度.残余压应力高，工件抗疲劳性能强.另一方面，残余压应力能使部件实际承受的裂纹尖端应力强度因子幅值ΔK下降，从而降低裂纹扩展速率，提高部件的疲劳裂纹扩展抗力［9］.激光冲击强化处理熔覆工件，消除了熔覆产生的残余拉应力，在材料表面形成了残余压应力，从而提高材料的抗疲劳性能.2.3 组织形态激光熔覆试样横截面显微组织如图3所示.图3 横截面显微组织激光冲击强化前后试样组织结构和选区电子衍射如图4所示.透射电子显微镜(TEM)分析显示:3次激光冲击强化后，形成纳米级晶粒层(＜100 nm).由图4b中的选区电子衍射图可知:选区纳米级晶粒的角度较大.在部分激光冲击强化区域晶粒尺寸由冲击前几μm减小到冲击后20 nm.图4 激光冲击强化前后组织结构2.4 拉伸性能拉伸试验使用WDW－100万能试验机，参照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》，在室温下进行试验，拉伸速度为0.1 mm·min－1.不同试样的拉伸性能试验强度如表3所示.由表3可知:激光熔覆+激光冲击强化试样的拉伸性能较好.表3 TC4钛合金不同处理方式下的拉伸强度 MPa2.5 高周疲劳性能疲劳强度是表征材料与结构疲劳性能的重要参量之一.取两种状态试件各20件，参照HB 5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，在MTS880试验机上进行高周疲劳试验.应力比R=0.1，加载频率为100 Hz，温度为25℃.试验数据分析和处理参照HB/Z 112—86《材料疲劳试验统计分析方法》进行，根据试验应力和对数循环次数在图上作点，绘制S－N曲线(见图5).由图5可知:激光冲击强化处理熔覆试件后，疲劳强度由285 MPa增加到330 MPa，提高钛合金熔覆试件疲劳强度为15.8%.图5 TC4钛合金疲劳性能根据Tao N.R.等研究结果［10］，纳米级晶粒使材料表层界面体积分数大大提高，表面能增加，有利于部件疲劳寿命提高.S.Suresh研究［11］表明，残余压应力和表面加工硬化层的提高，对部件疲劳强度的提高有重要作用.激光冲击强化在材料表层产生纳米级的细化晶粒、数值高的残余压应力和较高的硬度，是部件疲劳性能提高的本质原因.3 结论1)激光熔覆+激光冲击强化的复合修复技术，是提高TC4钛合金高周疲劳性能的高效的表面修复工艺.激光冲击强化处理后的TC4钛合金激光熔覆试件，疲劳强度提高了15.8%.2)激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金疲劳性能的提高，是冲击形成的残余压应力和纳米晶层共同作用的结果.参考文献(References)【相关文献】［1］张永康，周立春，任旭东，等.激光冲击TC4残余应力场的试验及有限元分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2009，30(1):10－13.Zhang Yongkang，Zhou Lichun，Ren Xudong，et al.Experiment and finite element analysis on residual stress field in laser shock processing TC4 titanium alloy［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2009，30(1):10－13.(in Chinese)［2］张永康，周建忠，叶云霞.激光加工技术［M］.北京:化学工业出版社，2004:193－195. ［3］刘其斌，李绍杰.航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复层的组织结构［J］.金属热处理，2007，32(5):21－24.Liu Qibin，Li Shaojie.Microstructures of the laser clad coating repairing cast defect in aeroengine blade［J］.Heat Treatment of Metals，2007，32(5):21 －24.(in Chinese)［4］马壮.航空发动机部件激光冲击强化应用基础研究［D］.西安:空军工程大学工程学院，2008. ［5］Wang C，Zhou L C，He Q，et al.Experiment research on improving the fatigue life of 12Cr2Ni4A welding joints by laser shock processing［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，43:467 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induced by ultrasonic shot peening［J］.Nanostructured Materials，1999，11:433 －440.［11］Suresh S.Fatigue of Materials［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1998:679 －685.。

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。

一种钛合金的激光熔覆方法说实话钛合金的激光熔覆方法这事，我一开始也是瞎摸索。

我就知道钛合金这材料可不好对付，激光熔覆看着简单，真做起来各种问题。

我刚开始的时候，那激光的功率就掌握不好。

我寻思功率大一点熔覆得应该快一点吧，结果呢，直接把钛合金表面给弄得坑坑洼洼的，就像是拿大火去烤蛋糕，一下就糊了。

后来才明白，这功率得慢慢调，就像调收音机的频道一样，一点一点试，找到那个刚刚好能让材料熔覆又不会搞坏的功率。

还有这熔覆材料的选择，一开始我就随便用了一种觉得差不多的。

哎呀，大错特错啊。

那熔覆后的效果简直惨不忍睹，表面根本不均匀啊。

这就好比你做菜材料没选对，再怎么煮也不好吃。

后来我重新研究，对比了好几种适用于钛合金的熔覆材料，还查阅了好多资料，才确定了最适合的那种。

在熔覆过程中呢，扫描速度也很关键。

我试过很快的扫描速度，就跟一阵风扫过一样，这熔覆层薄得不像话，跟纸一样，根本达不到要求。

于是我又改慢速度，可是慢了就容易出现局部过热。

这个速度真的是要慢慢找平衡，有点像走钢丝的感觉。

另外，我也不确定我这个方法是不是最好的。

我在预热这个环节，也是做了很多尝试。

我本来以为稍微预热一下就可以，但是发现预热时间不够的话，熔覆的时候钛合金内部的应力比较大，容易出现裂纹。

于是我就增加了预热时间，不过也不敢预热太久，怕把钛合金自身的结构给改变了。

这个预热的温度和时间啊，真的就像是一场小心翼翼的游戏，要谨慎摸索。

再就是熔覆的保护气体，这个可不能马虎。

我曾经没太注意这个保护气体流量，结果熔覆过程中有些地方就被氧化了。

就像苹果切开放在空气中一会儿就变黄了一个道理，这钛合金一被氧化，熔覆好的东西就毁了。

所以要时刻关注保护气体的流量，保证整个熔覆过程足够稳定。

我还发现，设备的清洁度对钛合金激光熔覆的效果也有很大影响。

有一次我没清理设备就开始熔覆，熔覆完发现有一些小颗粒混在里面，这就好比在白米饭里混了沙子，特别影响质量。

所以每次在熔覆之前，我都会仔细清理设备。

一种钢缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法（原创版4篇）《一种钢缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法》篇1一种钢缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法是一种用于修复钢材缺陷的技术，该方法包括使用激光熔覆技术将熔覆材料熔化并堆叠在缺陷区域上，以实现对缺陷的修复。

具体来说，该方法包括以下步骤：1. 准备熔覆材料：选择一种适合于激光熔覆技术的熔覆材料，该材料应具有较高的熔点和良好的耐腐蚀性能。

2. 确定熔覆参数：根据缺陷的大小和形状，以及熔覆材料的特性，确定激光熔覆的参数，包括激光功率、速度和熔覆层的厚度等。

3. 进行激光熔覆：将熔覆材料放置在缺陷区域上，并使用激光束对其进行熔化和堆叠。

在熔覆过程中，激光束会逐层熔化熔覆材料，并将其堆叠在缺陷区域上，直到达到所需的熔覆层厚度。

4. 完成修复：在熔覆完成后，等待熔覆层冷却和固化，然后进行质量检测和表面处理，以确保修复后的钢材表面光洁度和性能符合要求。

该方法的优点在于可以实现在线修复，无需将钢材从生产流程中取出，从而提高了生产效率和减少了生产成本。

《一种钢缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法》篇2一种钢缺陷在线激光熔覆修复的材料及方法是一种用于修复钢材缺陷的技术，该技术利用激光熔覆技术在钢材表面形成一层熔覆层，以填补缺陷并恢复钢材的性能。

具体来说，该材料包括一种特殊的焊接材料，该材料包含铁、铬、镍、锰、硅、钴、钨等元素，且其组成和比例经过精心设计，以确保在激光熔覆过程中具有良好的润湿性和铺展性，能够快速熔化并与钢材表面形成牢固的结合。

该方法包括以下步骤：首先，将钢材表面缺陷周围的区域进行清理和打磨，以确保表面干净无尘，无油脂和其他杂质。

然后，将焊接材料添加到激光熔覆设备中，并将设备预热至适当的温度。

接下来，使用激光熔覆设备对钢材表面进行扫描，将焊接材料熔化并在钢材表面形成一层熔覆层。

最后，对熔覆层进行冷却和后处理，以确保其具有良好的性能和外观质量。

该技术的优点在于，它可以在钢材表面形成一层均匀、牢固的熔覆层，以填补缺陷并恢复钢材的性能。

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。

钛合金表面激光熔覆技术的研究进展郭华摘要：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。

*天津市自然科学基金资助项目(043603211) 牛伟:硕士研究生 E -mail:nw niu@钛合金激光熔覆的研究现状与发展趋势*牛 伟,孙荣禄(天津工业大学机械电子学院,天津300160)摘要 钛合金具有高比强、良好的耐蚀性能等优点,但其耐磨性差,限制了它在摩擦机构的应用。

激光熔覆技术是近年来发展起来的一种新型表面改性工艺。

在钛合金表面进行激光熔覆,可提高钛合金的表面性能,获得高硬度、耐磨性能好、低摩擦系数的熔覆层。

简要阐述了钛合金表面激光熔覆的研究现状,包括激光熔覆工艺、熔覆层的组织与性能,指出了存在的问题,并展望了钛合金激光熔覆的发展方向。

关键词 钛合金 激光熔覆 表面改性 耐磨性Research Progress and Development on Laser Cladding on Titanium Alloys S urfaceN IU Wei,SU N Ronglu(Schoo l o f M echanical and Electro nic Eng ineer ing,T ianjin P olytechnic U niversit y,T ianjin 300160)Abstract Although tit anium allo ys exhibit ex cellent mater ial propert ies like a high str eng th to weig ht r atio,go od co rr osio n resistance,t he po or w ear resistance hamper s many a pplicat ions.L aser cladding on meta l surface is a new technique o f sur face mo dification r ecently.L aser cladding o n tit anium alloy s can impr ov e the sur face pro per ties,obtain the co atings with hig h hardness,g ood w ear r esistance and low fr ictio n coefficient.T his paper discusses the study of la -ser cladding on titanium alloy s surface,including technique and the structure and propert ies of the sur face lay ers,and po ints out the ex isting problems and loo ks fo rw ard the development o f the t echnique in the future.Key words t itanium alloys,laser cladding,sur face mo dification,wear resistance金属钛及其合金作为工程材料不过50年的历史,但其具有很高的比强度和高温性能,是航空、航天等部门广泛使用的高性能材料;优良的耐腐蚀性又使其成为航海、石油、化工、医药等行业的理想材料;钛镍合金因其形状记忆功能,可用于卫星和飞船的天线、宇航系统的油管密封和其他自控装置;钛合金的无磁性,钛铌合金的超导性,钛铁、钛镁合金的储氢能力使其在高技术和尖端科学方面也发挥着重要作用。

—————————钛合金表面激光熔覆原位合成ＴｉＢ＋ＴｉＢ：／Ｔｉ复合材料涂层蔡利芳等——公式（７）中的Ｃ“为恒压摩尔热容，其中口ｉ，ｂ；，ｃ；，ｄ；为物质ｉ的特性常数。

对于任何一个化学反应其吉布斯自由能变化的计算公式可表示为：ＡＧ＝Ｇ产物一Ｇ反应物（８）利用文献［９，１０］中的热力学数据，按照上面给出的公式计算了上述化学反应的吉布斯自由能ＡＧ，计算结果见图１。

由图可知，三个反应的吉布斯自由能变化△Ｇ均为负值，说明在激光熔覆过程中，上述三个反应均可能发生。

同时，由于反应（２）的吉布斯自由能变化值最低，因此在Ｔｉ—Ｂ材料系统中生成ＴｉＢ：的倾向最大，但是当有过量Ｔｉ存在时，先生成的ＴｉＢ：将会与过量的Ｔｉ发生式３所示的反应，形成ＴｉＢ，因此激光熔覆结果中会存在ＴｉＢ和ＴｉＢ２两种增强相。

０－６０．１２０・１Ｂ０—２４０－３０００５００１０００１５００２０００２５００眦２０３０４０５０６０７０８０９０１００１ｌＯ２０／（‘）图２激光熔覆涂层Ｘ射线衍射谱图３为激光熔覆层横截面的组织，从图中可知，在两种不同比例混合粉末条件下，激光熔覆层均与基体形成了良好的冶金结合，激光熔覆层内部组织致密，反应生成的增强相均匀地分布在钛合金基体中。

随着Ｂ粉含量的增加（见图３ｂ），熔覆层中形成的增强相增多。

由于试验中预置粉末层较厚，在结合界面处由于激光能量不足存在少量的未完全反应的Ｂ颗粒（图３ａ中箭头所示）。

在图３ａ中界面附近出现未形成增强相颗粒的区域（Ａ），是由于表面部分熔化的钛合金粉末颗粒未及参与激光熔池的物理冶金过程所致。

图１式（１）式（２）和式（３）的Ｇｉｂｂｓ自由能ＡＧ随温度的变化２．２微观组织和相分析（ａ）ｎ—ＩＢ（”Ｔｉ－２Ｂ单道激光熔覆带表面光滑，均匀致密，无裂纹，宽约４．５ｍｍ，厚约１．５ｍｍ。

图２是Ｔｉ－２Ｂ混合粉末经激光图３激光熔覆层横截面的宏观形貌熔覆后熔覆层的ｘ射线衍射分析结果，由图２可知，熔（Ｐ２１．５ｋＷ，Ｖ＝５。

报废零部件“起死回生”的灵丹妙药——激光熔覆技术激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。

目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。

航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。

如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。

航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。

如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。

陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。

飞机零件制造中的应用飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。

因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。

陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。

碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等。

采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。

TiC+Ti粉末在TC4钛合金表面激光熔覆的表面改性技术摘要：激光表面镀层应用于TC4钛合金用来改进其表面性能。

把TiC和Ti 的粉末以质量比1：3的比例混合后覆在TC4钛合金表面，随后用激光束进行处理。

材料表面层的显微结构和组分的改变用SEM,EDX和XRD仔细研究。

通过熔融，液态混合流动，紧接着快速凝固和冷却，一层逐渐过度的微观结构和组织就形成了。

TiC粉末在熔融时全部熔入表面层，在凝固的过程中作为细小的树枝晶偏析出来。

树枝晶的内部区域有一些富含铝的a′相细晶片晶。

因为TiC随着深度的增加而变少，激光熔覆层的硬度也随着深度的增加而降低。

表面层的最高硬度是1400HV，大约是原始材料的4.5倍。

关键词：TC4钛合金TiC 激光熔覆技术偏析硬度钛合金被广泛应用于工业生产是因为其力学性能和化学性能的良好结合，例如高的刚度，低的密度和良好的耐蚀性。

然而由于钛合金的硬度低，导致其耐磨性比较差，从而限制了钛合金的进一步使用。

由于多种原因，一种材料的失效是从它的表面开始的，尤其是在磨损或腐蚀环境中。

因此为了全面提高钛合金的性能，使用表面改性的方法提高钛合金的耐磨性是非常必要的。

有多种不同的方法应用于提高钛合金的耐磨性和耐蚀性。

如：PVD,CVD,溶胶-凝胶法，阳极氧化等。

然而，这些方法都存在各自的缺点。

例如，用于电影存储的钛合金通常非常的窄而且和机体的结合非常的弱。

在众多的表面处理技术中，激光熔覆技术提供了一哦个最佳的选择，使用该技术，可以获得一层薄的镀层从而获得非常好的性能。

通过激光熔覆，不同的合金或金属基复合物可以很容易的在被处理的材料表面产生。

镀层和基体之间的强的金属键。

考虑到上面提到的各种优点，激光熔覆技术可以用于在TC4钛合金上产生原位金属基符合材料，来提高熔覆层的硬度，熔覆层的表面的显微结构和组分进行详细的研究。

2.实验2.1试样的准备和激光处理对钛合金的研究，这里主要就商业钛合金的获取做出解答。

激光熔覆ta15热处理工艺激光熔覆Ta15热处理工艺钛合金是一种广泛用于航空、航天、船舶等领域的重要结构材料。

其中，钛铝合金(Ta15)是广泛应用的一种材料，具有高强度、高韧性、低密度等优异特点。

然而，随着工程应用的逐步提高，其更高的性能和功能要求逐年提高，这就需要采用适当的热处理工艺来提高其性能。

钛铝合金通过激光熔覆热处理工艺的研究曾表明，该过程能有效地提高其性能，本文就激光熔覆Ta15热处理工艺这一话题进行阐述。

一、激光熔覆在Ta15热处理中的应用激光熔覆技术是现代制造工艺领域中的一项重要技术，主要特点是在其作用下，热处理区域能够达到极高的温度，从而使材料出现液态状态，并在短时间内获得均匀而细小的晶粒结构。

激光熔覆Ta15热处理工艺中，激光能量的控制是关键因素，如果激光能量过高，会导致热影响区周围出现过热现象，从而影响加工质量；如果激光能量过低，则热影响区域内部晶粒无法均匀结晶，影响了加工的效果。

因此，为了提高激光熔覆热处理效果，必须设计出合理的工艺参数，如激光照射面积、照射时间、激光光斑大小、轨迹等，从而实现最佳加工效果。

二、激光熔覆Ta15热处理工艺的优点1. 提高材料性能：通过激光熔覆Ta15热处理工艺，可以大幅度提高其性能和功能，例如提高其强度、延展性和韧性等。

2. 减少工艺污染：激光熔覆Ta15热处理工艺不需要额外的化学处理，可以避免化学工艺对环境造成的污染或对材料性能造成的不利影响。

3. 加工效率高：与传统的热处理工艺相比，激光熔覆热处理工艺具有更高的加工效率，可以在较短时间内完成加工过程。

三、激光熔覆Ta15热处理工艺的发展趋势随着科技的创新与发展，激光加工技术在短时间内得到了长足的发展，进一步提升了激光熔覆Ta15热处理技术的应用。

目前，有许多研究人员正在进行关于激光熔覆Ta15热处理工艺的技术创新与飞跃，其中比较热门的研究方向包括新型的激光材料加工设备，以及多重激光照射技术等，这些技术的应用将使激光熔覆Ta15热处理工艺更加高效、节能。