鈦合金表面激光熔覆復合涂層的熔池行為對微觀組織和性能的影響

馬永，馬建光，孫楚光，廖幫亮，朱衛華，陳志勇王新林，

材料工程

鈦合金表面激光熔覆復合涂層的熔池行為對微觀組織和性能的影響

馬永1，馬建光1，孫楚光1，廖幫亮1，朱衛華2，陳志勇2王新林1，2

（1.南華大學機械工程學院，湖南衡陽421001；2.南華大學電氣工程學院，湖南衡陽421001）

采用5 kW橫流CO2激光器，在TC4鈦合金表面激光熔覆原位制備摻Y2O3的復合陶瓷涂層。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能量散射X譜儀（EDS）對熔覆層組織和物相進行分析；通過維氏顯微硬度計對熔覆層和基材顯微硬度進行測量。結果表明：隨著掃描速度由10mm/s和8mm/s增大12mm/s時，熔覆層表層和中部組織變得更加細化和致密，結合區組織由致密組織結構和稀疏的晶須網狀結構變為單一的致密組織結構。當掃描速度為12 mm/s時，熔覆層物相為Ti、TiC、TiB2、Y2O3；掃描速度為10mm/s和8mm/s時，熔覆層物相為Ti、TiC、TiB、Y2O3.掃描速度為10mm/s和8mm/s熔覆層的顯微硬度提高的主要因素是生成了新的增強相TiB.

TC4鈦合金；激光熔覆；復合涂層；微觀組織；掃描速度；顯微硬度

鈦合金由于比強度高、耐腐蝕性能優異、生物相容性好而被廣泛的應用到航空、海洋、醫藥等領域[1-2]。然而，由于其較低的耐磨性，極大的限制了在實際生產中的應用。作為表面改性技術中的熱點之一，激光熔覆技術是改善鈦合金表面摩擦磨損性能的重要手段[3]。同時，由于稀土及稀土氧化物在冶金溶液中具有凈化雜質、合金化、增加異質形核點等作用，使得激光熔覆摻雜稀土及稀土氧化物為近年的研究的熱點[4]。有研究者[5]在激光熔覆WC-Co鎳基復合涂層中添加稀土氧化物CeO2，研究表明CeO2的添加提高了涂層的硬度和耐磨性能；有研究者[6]探索了在鈦合金表面激光熔覆制備陶瓷涂層中添加稀土氧化物Y2O3，研究表明加入適量的稀土氧化物可以顯著的提高熔覆層的硬度和耐摩擦磨損性能。本文通過改變激光掃描速度，探討了熔池行為對TC4鈦合金表面激光熔覆摻Y2O3的TiB/TiC復合陶瓷涂層的微觀組織和性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗基材采用尺寸為25 mm×25 mm×15 mm的TC4鈦合金，其表面通過研磨、清洗、干燥等處理。熔覆粉末采用TiB2粉末（純度為99.5%，粒度為6 μm）、TiC粉末（純度為99.9%，粒度為200μm）與Y2O3粉末（純度為99.5%,粒度為2μm）。粉末按比例為TiB2:TiC=1：3+4%Y2O3進行配比后，通過球磨機充分研磨混拌。以2123酚醛樹脂為粘結劑，將其制為膏狀，然后在基材表面預置厚度為0.4 mm的涂層。激光熔覆實驗采用5 kW橫流TJ-HL-T5000型CO2激光器，熔覆實驗工藝參數如表1所示。其他的參數為：光斑直徑D=5 mm，搭接率為40%，保護氣體為10 L/min的氬氣。

表1 激光工藝參數

激光熔覆后，采用電火花線切割機，沿垂直于激光掃描方向切割試樣。對切割面進行研磨、拋光、腐蝕等處理，制得金相試樣。采用JSM-6490LA型掃描電鏡觀察試樣截面組織形貌；采用XD-3型X射線衍射儀對激光熔覆層物相分析；用HXS-1000TAY型維氏顯微硬度儀測量熔覆層和基體硬度，加載砝碼質量為200 g，加載時間為15 s.

2 實驗結果與討論

2.1 熔覆層的顯微形貌與組織

圖1（a）～1（i）分別為試樣1#～3#不同部位的顯微組織圖片。由1（a）、1（d）、1（g）對比可見，當掃描速度減小，熔覆層表層組織更加粗大，且樹枝狀組織方向性由雜亂無章變為大致朝向于散熱方向。在熔覆層表層由于G趨近于0，R趨近于無窮大，凝固條件有利于等軸晶的形成；但是在凝固后期，隨著冷卻速度的降低，柱狀不能繼續形成，因而生長為等軸晶和枝晶形態[7]。同時在激光功率一定的條件下，隨著掃描速度的減小，涂層將接受到激光的輻照時間增多。一方面熔池存在時間越長，組織有足夠的時間長大，故掃描速度越小組織越粗大；另一方面熔池表層的對流更加劇烈，故表層樹枝狀組織隨著掃描速度的減小表現出明顯的方向性。由1（b）、1（e）、1（h）可見，1#熔覆層中部為雜亂致密的網狀結構，而2#和3#熔覆層中部以致密的樹枝狀組織為主，樹枝狀組織間為晶須狀和顆粒狀組織填充。由1（c）、1（f）、1（i）可見，1#熔覆層結合區熔覆層結合區為雜亂致密的網狀結構；而2#和3#熔覆層結合區主要由兩部分形貌組成：一部分為由二次枝晶臂未發達的樹枝狀和樹枝狀組織間夾雜著少量的細針狀組成的致密組織形態；另一部分為稀疏的晶須網狀結構，而在與基材的結合界面處有一層薄的平面晶。在熔覆層底部，G趨近于無窮，R趨近于0，故此時熔覆層組織容易生長為平面晶[7]。在熔覆層和基材的過渡區，有細針狀類馬氏體存在，表明熔覆層與基材有很好的冶金結合。2#和3#的結合區形態形成的主要原因如下，根據激光熔池和流體力學的相關知識分析可得，激光熔池的液體流動方向為：從垂直于熔池橫截面看，在熔池中形成以激光光斑中心軸為對稱的兩個方向相反的渦流，帶動渦流周邊的液態金屬從熔池內部流向熔池外部，其形態近似于表面張力溫度系數為負值時的情況。在熔池與基材的接觸中心區形成了一層很薄的邊界區，此處的液態金屬幾乎靜止不動，全部為液態鈦合金構成，所以在凝固過程中，凝固物質可以在此結合區生長為相對致密結構，而在與基體的另外接觸區，所有液態金屬處于高速對流中，不存在靜止不動的液態金屬，故在凝固后形成伸向基體生長的晶須結構[8]。

圖1 試樣不同部位SEM圖片

2.2 熔覆層的物相成分分析

圖2為1#～3#熔覆層的X射線衍射圖譜，由X射線衍射圖譜可見：1#的物相成分主要由Ti、TiC、TiB2、Y2O3組成，2#和3#的物相由Ti、TiC、TiB、Y2O3組成。2#和3#的熔覆層物相組成和1#的熔覆層的物相組成不同的原因為：在激光功率保持一定的條件下，隨著激光掃描速度的增加，預置涂層接受激光輻照的時間減少，粉末吸收的能量減少。同時，由于TiB2的熔點最高（3200℃），在預置涂層吸收的能量減少時，未能充分和Ti反應生成TiB，由于生成的TiB量較少時，所以未能檢測出它的存在。圖3為3#熔覆層中部的顯微組織圖，可以看出圖中主要由黑色基體、樹枝狀、針狀、晶須狀、灰色顆粒、白色顆粒等組織形貌組成。結合XRD和EDS數據可得：黑色基體為Ti，樹枝狀和白色顆粒狀組織為TiC，針狀和晶須狀組織為TiB，灰色顆粒狀組織為Y2O3.試樣3#中部EDS分析如表2所示。

圖2 熔覆層的X射線衍射圖譜

圖3 3#熔覆層中部S EM圖片

表2 試樣3#中部EDS分析（原子百分數/%）

2.3 熔覆層的硬度分析

圖4分別為1#～3#的熔覆層和基材的顯微硬度分布圖。由圖可見，2#～3#的熔覆層硬度相對于1#的熔覆層硬度有明顯的提高，2#～3#的熔覆層最高顯微硬度相對于基材的硬度提高了3～4倍，而1#的熔覆層最高顯微硬度相對于基材提高了2.5倍左右。圖5分別為1#～3#的熔覆層平均硬度和最高硬度的柱形圖，從圖中可見，隨著速度的增加熔覆層的平均硬度和最高硬度都在減少。硬度的分布主要是和熔覆層的增強相的種類、分布情況和形態共同決定的[9]。在功率一定的條件下，當減小掃描速度時，預置涂層吸收到的能量增多，從而使得熔覆層的熔池存在的時間變長，組織有足夠的生長時間，雖然熔覆層組織相對粗大，但另一方面生產了TiB增強相。因此，2#～3#高于1#的熔覆層硬度是因為生成了TiB增強相起主導因素。

圖4 熔覆層顯微硬度

圖5 熔覆層平均速度和最高硬度柱形圖

3 結論

（1）在TC4鈦合金表面激光熔覆原位制備出了摻Y2O3的TiC/TiB復合陶瓷涂層，涂層組織細小、致密、無氣孔。

當掃描速度為8mm/s和10mm/s時，熔覆層的物相由Ti、TiC、TiB、Y2O3組成；當掃描速度為12 mm/s時，熔覆層的物相由Ti、TiC、TiB2、Y2O3組成。

（2）在其他工藝參數不變的條件下，隨著掃描速度的減小，熔覆層的平均顯微硬度和最高顯微硬度逐漸提高。其中掃描速度為8 mm/s時，熔覆層最高顯微硬度為1 388 HV0.2，是基材的3.5倍。其中決定硬度的主要因素是生產了新的增強相TiB.

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Effects of the Molten Pool Behavior on Microstructure and Properties of Composite Coating on Titanium Alloy Surface by Laser Cladding

MA Yong1，MA Jian-guang1，SUN Chu-guang1，LIAO Bang-liang1，ZHU Wei-hua2，CHEN Zhi-yong2，WANG Xin-lin1，2
（1.School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China；2.School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

The composite coating doped with Y2O3was synthesized by laser cladding on the surface of TC4 titanium alloy with 5 kW continuous wave CO2laser.The microstructure of laser cladding layers and composition of reinforced particles were analyzed using scanning electron microscope（SEM），energy-dispersive X-ray spectroscopy（EDS）and X-ray diffraction（XRD），the micro-hardness of the laser cladding layer was tested using optical microscopy hardness tester.The results show that the microstructure of upper border area and middle zone was refined and dense greatly.Structure of the bonding zone was transformed from compact structure and reticular structure of whisker to compact structure with the scanning speed of 10 mm/s and 8 mm/s to 12 mm/s.When scanning speed was 12 mm/s，phase constituents of the coating were Ti，TiC，TiB2，Y2O3.When Scanning speed was 10mm/s and 8 mm/s，phase constituents of the coating were Ti，TiC，TiB，Y2O3.The micro-hardness of cladding layer gradually reduced with the increase of Scanning speed.And the key factors of hardness are new enhancements TiB.

TC4 titanium alloy；Laser cladding；composite coating；microstructure；scanning speed；micro-hardness

TG166.5

A

1672-545X（2017）02-0120-04

2016-11-23

湖南省自然科學基金（NO.2015JJ6098）

馬永（1989-），男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事激光加工技術方面的研究；王新林(1970-)，男，湖南漣源人，博士研究生，教授，主要從事激光加工技術方面的研究。