不同送粉速度對TC4鈦合金表面激光熔覆的影響

寇元哲，郭晉昌

(隴東學院 機械工程學院,甘肅 慶陽 745000)

鈦合金具有強度高、密度小、耐蝕性能優良和生物相容性好等優點，被廣泛應用于汽車、化工、航空航天和生物醫療等行業[1, 2]。但是鈦合金表面硬度和耐磨性較差，限制了其更廣泛地應用[3]。為此，研究人員進行了大量的鈦合金表面改性研究。如康新婷[4]對鈦合金表面進行電鍍改性，由于鈦合金表面存在一層致密的氧化膜，電鍍前必須清理氧化膜，工藝復雜。Biswas等[5]通過熱氧化技術對鈦合金進行表面改性，改性后得到的熱氧化層層深較淺，無法應用于要求較高的工況。王鈞石等[6]采用等離子注入技術改善鈦合金表面性能，顯著提高了合金硬度和耐磨性，但是效率較低。

在眾多鈦合金表面改性方法中，激光表面熔覆是一種比較理想的方法[7, 8]。激光熔覆工藝簡單，熔覆層層深大，熔覆效率高，基體變形小且熔覆層與基體發生冶金結合，因而鈦合金表面激光熔覆改性成為目前研究的熱點[9-11]。Zhang等人[12]采用激光熔覆技術在TC4鈦合金表面制備了TiC改性層，熔覆層力學性能相比TC4基體顯著提高。Kumar等人[13]以AlN、Ni和TC4混合粉末為原料在TC4鈦合金表面制備熔覆改性層，熔覆層顯微硬度是基材的3倍，耐磨性也顯著提高，但是熔覆層因塑性差而產生了裂紋。劉建弟等人[14]在TA15鈦合金表面激光熔覆WC顆粒增強相，熔覆層WC顆粒分布均勻，滑動磨損條件下耐磨性顯著提升，但是熔覆層中有少量裂紋和氣孔存在。Li等人[15]采用SiC和Ti混合粉末對TC4鈦合金表面進行熔覆改性，改性后的TC4鈦合金硬度和耐磨性明顯改善，但是熔覆層存在氣孔缺陷。以上研究均可有效改善鈦合金表面機械性能，但是由于熔覆層塑性和韌性較差，熔覆層往往存在缺陷。其本質是熔覆層硬度和塑性之間的矛盾。解決以上問題的有效方法是嘗試不同的熔覆粉末和配比，以及優化工藝參數。

本研究采用TiN和Ti混合粉末對TC4表面進行熔覆改性，研究送粉速度對激光熔覆改性工藝和改性層性能的影響，期望得到性能優良的鈦合金表面熔覆層。

1 實 驗

實驗材料為60 mm×60 mm×8 mm的TC4鈦合金板材，其化學成分見表1。用砂輪打磨去除表現氧化物和雜質，用乙醇和丙酮清洗試樣表面。

表1 TC4鈦合金化學成分(w/%)

采用IPG高功率光纖激光器在TC4板材表面制備熔覆層，如圖1所示。激光器型號為LYS-4000，最大輸出功率4.0 kW，激光波長1.064 μm，激光器輸出連續波激光，激光光斑為圓形，激光能量為高斯分布。采用i-speed3高速攝像系統采集被加熱粉末的空間分布形貌，拍攝頻率為1000 Hz。采用氬氣(純度99.99%)保護熔覆區域，以免高溫熔池發生氧化。氬氣與激光束同軸輸入。

圖1 激光熔覆示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser cladding

熔覆粉末為TiN和Ti混合物，TiN粉末與Ti粉末的質量比為1∶2，粉末顆粒直徑小于20 μm。采用同軸送粉方式，粉末與激光一起從碰嘴噴出。分別采用25、75和125 g/min的送粉速度進行熔覆實驗，其他工藝參數不變，如表2所示。

表2 實驗工藝參數

用線切割將激光熔覆試樣切開，用砂紙打磨并用乙醇清洗橫截面。采用Axio Scope A1型光學顯微鏡拍攝熔覆層橫截面形貌，采用ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀(EDS)檢測熔覆層橫截面氮含量。采用Hv-1000型顯微硬度計測量熔覆層橫截面顯微硬度，測量位置為沿著熔覆層深度方向間隔0.2 mm，每個深度測量3個點，計算3個點的平均硬度作為對應深度的硬度值。

2 結果與分析

2.1 加熱粉末空間分布及熔覆層橫截面形貌

圖2為TC4鈦合金表面激光熔覆層照片。熔覆實驗自左往右進行，由于初始階段同軸送粉不穩定，故熔覆層左面部分厚度較淺。從圖2中可以看出，熔覆層表面粗糙度較高，并且隨著送粉速度增加，熔覆層余高明顯增加，而熔覆層寬度有降低的趨勢。為避免送粉不穩影響研究結果，本研究主要分析熔覆層右面部分。

圖2 不同送粉速度下TC4鈦合金表面熔覆層照片Fig.2 Photographs of cladding layer on the surface of TC4 alloy at different powder feeding rates

圖3中展示了送粉速度分別為25和125 g/min時，加熱粉末空間分布形貌，分別為連續4幀照片。當送粉速度為25 g/min時，空間粉末數量較少，空間粉末吸收了少量激光能量，并在空間發生了熔化，最終在重力作用下過渡到熔池中，同時實現傳質和傳熱。圖3a中熔覆粉末數量較少，大量激光能量直接作用在TC4基體表面，形成了輪廓清晰的熔池，且熔池尺寸較大。熔覆過程中，激光頭自右往左運動，已凝固的熔覆層表面高于基體，故熔池普遍表現出左側偏低右側偏高的特點。送粉速度為125 g/min時，較大送粉速度導致空間粉末數量較多，大量粉末吸收激光能量并在空間發生熔化，故空間加熱粉末的亮度更亮一些。圖3b中有部分粉末發生了氣化，形成金屬蒸氣。大量激光能量被粉末顆粒吸收，只有少量激光能量傳遞到基體金屬表面，故熔池尺寸較小。

圖3 不同送粉速度下加熱粉末空間分布形貌Fig.3 Spatial distribution morphologies of heating powders at different powder feeding rates: (a) 25 g/min; (b) 125 g/min

沿圖2 A-A線將熔覆層切開，并對熔覆層橫截面進行了打磨、剖光和腐蝕，采用光學顯微鏡拍攝了熔覆層橫截面形貌，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著送粉速度的增加，熔深和余高明顯增加，熔寬明顯減小。首先分析熔深增加的機理。采用較小送粉速度進行實驗時，空間粉末只吸收了少部分激光能量，多數激光能量直接作用在TC4基體上，TC4基體表面形成了熔池，熔池將大量激光能量反射，故此時熔深相對較淺。當采用較大送粉速度時，大量粉末在空間吸收了大量激光能量，隨著粉末過渡到熔池中，將大量激光能量也帶入到熔池中，所以采用較大送粉速度時，熔覆層熔深明顯增大。其次分析熔寬減小的原因，本研究采用的激光能量為高斯分布，光束周邊能量密度遠遠低于光束中心能量密度，當采用較大送粉速度時，大量粉末到達基體前發生了氣化，吸收了大量光束能量，尤其是光束周邊，只有極少量能量到達TC4基體，其能量密度不足以讓熔覆層兩側發生熔化，故隨著送粉速度增加，熔覆層熔寬減小。送粉速度增加還導致熔覆層余高增加。

測量了熔覆層的熔寬和熔深，如圖5所示。從圖5中可以看出，當送粉速度在一定范圍內變化時，熔覆層熔深和熔寬都隨送粉速度呈線性變化關系。采用軟件擬合了熔覆層熔深和熔寬與送粉速度的函數關系式，結果如式(1)和式(2)所示。式(1)和式(2)可用來預測不同送粉速度對應的熔深和熔寬，為激光熔覆生產提供指導。

圖5 熔覆層熔深和熔寬隨送粉速度變化Fig.5 Variations of depth and width of cladding layer with powder feeding rate

y1=11.4x+570.5

(1)

y2=-11.6x+5073.5

(2)

式中：y1為熔深，μm；x為送粉速度，取值范圍為25～125 g/min；y2為熔寬，μm。

2.2 熔覆層氮含量與顯微硬度

采用EDS線掃描分析熔覆層橫截面的氮含量，結果如圖6所示。圖6中白色線左邊部分為熔覆層，右邊部分為基體, 顏色較深，基體與熔覆層之間有明顯過渡區域。由于圖6中不同送粉速度的熔覆層橫截面狀態不同，故不同送粉速度熔覆層氮含量的cps絕對數值有所差異。基體氮含量接近于零，熔覆層氮含量明顯高于基體，在熔覆層與基體過渡區域氮含量發生了跳變。熔覆層的氮含量基本均勻，無氮含量梯度，這是由于熔覆粉末中本身氮含量是均勻的，而且激光熔池在表面張力作用下發生強烈的馬蘭戈尼對流，將熔化的少量基體與熔覆粉末混合均勻，形成氮含量均勻的熔覆層。熔覆層的氮含量過高將強烈影響其機械性能。

圖6 不同送粉速度下熔覆層的氮元素EDS線掃描Fig.6 EDS line scanning of nitrogen element of cladding layer at different powder feeding rates: (a) 25 g/min; (b) 75 g/min; (c) 125 g/min

圖7為熔覆層橫截面的顯微硬度測量結果。圖7中可以看出，TC4基體顯微硬度約3.4 GPa，熔覆層的顯微硬度明顯提高。由于邊緣效應，第1個測量點的顯微硬度低于熔覆層平均顯微硬度，且不同送粉速度的熔覆層均表現出相同的趨勢。送粉速度為25 g/min時，熔覆層顯微硬度大約為5.9 GPa，這是由于氮元素起到第二相強化的作用。送粉速度為25 g/min的熔覆層硬度明顯低于送粉速度為75和125 g/min的熔覆層，這是由于送粉速度較小時，熔覆層被基體強烈稀釋，氮含量較小，故熔覆層硬度較小。送粉速度為75和125 g/min的熔覆層顯微硬度大約都是9.3 GPa，此時送粉速度較大，粉末吸收了大量激光能量，基體只吸收了少量激光能量，并且只有少量基體被熔化，所以熔覆層稀釋率較低，熔覆層氮含量更高，顯微硬度更高。實驗證明送粉速度從75 g/min提高到125 g/min時，只是增加了熔覆層的熔深，熔覆層顯微硬度并沒有明顯提高。當送粉速度為75 和125 g/min時，熔覆層顯微硬度均基本均勻，無明顯梯度，這是由于熔覆層氮含量較均勻。熔覆層顯微硬度在熔覆層與基體過渡區域發生了突變，這也與氮元素的分布規律一致。

圖7 不同送粉速度下熔覆層橫截面顯微硬度分布Fig.7 Cross section microhardness distribution of cladding layer at different powder feeding rates

3 結 論

(1) 采用光纖激光對TC4鈦合金表面進行熔覆改性，送粉速度較小時，粉末吸收了少量激光能量，熔池較大，熔覆層表現出寬而淺的特點；送粉速度較大時，粉末吸收大量激光能量，熔池較小，熔覆層表現出窄而深的特點。

(2) 當送粉速度較大時，熔覆層的氮元素含量和顯微硬度都表現出均勻分布的特點，沒有明顯梯度。隨送粉速度增加，熔覆層顯微硬度會增加，最終穩定在約9.3 GPa。