鈦合金表面激光熔覆單道鎳基涂層工藝研究

韓珂琪 胥珊娜 李凱

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065）

鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性好和無磁等特點，成為航空航天、石油、軍工和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的首選材料[1]。但是鈦合金的摩擦性能較差，容易發(fā)生黏附和微動磨損，且在高溫條件下易被氧化，限制了鈦合金作為關(guān)鍵運動部件的應(yīng)用[2]。因此，提高鈦合金表面性能對提高鈦合金制機器服役壽命及擴大鈦合金應(yīng)用范圍都具有重要意義。

目前，已應(yīng)用于鈦合金的表面改性技術(shù)的有激光熔覆、化學(xué)熱處理、離子注入、氣相沉積技術(shù)、熱噴涂等[3-4]。但是化學(xué)熱處理、離子注入和氣相沉積技術(shù)制備得到的涂層厚度僅有50 納米至幾微米，僅能提供中等程度的磨損防護(hù)；熱噴涂制備的厚涂層含有大量裂紋和微孔，且與基體鈦合金結(jié)合較差，無法承受嚴(yán)重的機械磨損[5]。相比之下，激光熔覆技術(shù)具有制備的涂層厚度可控，且與基體可達(dá)到冶金結(jié)合，可根據(jù)具體需求設(shè)計熔覆材料，加工精度高、可局部修復(fù)等優(yōu)點[6-8]。

熔覆材料直接影響熔覆層的質(zhì)量與性能[9]。其中在金屬粉末材料體系中以自熔性合金粉末應(yīng)用及研究最為廣泛。鎳基合金涂層具有優(yōu)良的潤濕性、自熔性、耐磨性和價格低廉等優(yōu)點。Ni60 粉末即為鎳基自熔性合金粉末，其含有的Si、B 元素有強烈脫氧和自熔作用，并形成低熔點共晶體[10]，申澤慧[11]等利用激光熔覆在鈦合金表面制備鎳基合金涂層，研究在Ni60 合金粉末中添加不同含量WS2，發(fā)現(xiàn)添加WS2的熔覆層顯微硬度低于Ni60 熔覆層。覃鑫[12]等人利用激光熔覆技術(shù)在TC4 表面熔覆NiCrCoAlYCr3C2復(fù)合涂層硬度可達(dá)基體的3.8 倍。范銘[13]等人在TC4表面激光熔覆Ni60/Ni/MoS2涂層，得出熔覆層顯微硬度隨Ni/MoS2含量增加而增大。目前國內(nèi)外研究主要集中在豐富熔覆涂層粉末體系，但對于激光熔覆制備涂層工藝參數(shù)對涂層組織和力學(xué)性能的有關(guān)研究較少。

本試驗采用同步送粉式激光熔覆技術(shù)，氬氣作為保護(hù)氣體和送粉氣體，通過調(diào)控掃描速度和激光功率對熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到致密無裂，與基體結(jié)合良好，且對表面力學(xué)性能提升顯著的工藝參數(shù)。

1 實驗材料及方法

實驗基材為200mm×200mm×8mm 的TC4（Ti-6Al-4V）合金板材，TC4合金是一種α+β 型鈦合金。由于未經(jīng)處理的鈦合金表面在高倍顯微鏡可觀察到約10μm 厚的氧化層，氧化層吸收了空氣中的N、O元素，激光熔覆后會在此處出現(xiàn)氣孔和裂紋[14]。因此激光熔覆前，利用砂紙對TC4 合金表面進(jìn)行打磨，去除氧化層后用無水乙醇清洗，并烘干。涂層熔覆材料采用Ni60 自熔性合金粉末，粉末粒度為44μm，其化學(xué)成分見表1。熔覆粉末在200℃真空干燥箱中加熱干燥2h去除水分，避免在熔覆層產(chǎn)生氣孔等缺陷。

表1 Ni60自熔性合金粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

激光熔覆實驗設(shè)備采用IHN-1GX-3000P 光纖激光器和容量為10L的載氣式同步送粉系統(tǒng)，為防止Ni60 粉末和TC4 基材在高溫氧化燒損，使用高純氬氣作為保護(hù)氣體和送粉氣體。設(shè)定送粉氣壓0.5MPa、流量9L/min、送粉速率50g/min。激光光斑直徑為4mm，離焦量為20mm，激光熔覆工藝參數(shù)以掃描速度3mm/s、4mm/s、5mm/s、6mm/s 和激光功率450W、600W、750W、900W、1050W、1200W、1350W 進(jìn)行正交實驗。制備截面金相樣品，使用4ml 硝酸、96ml 乙醇腐蝕液浸蝕3～5min，采用Neophot-21 型光學(xué)顯微鏡對試樣的截面宏觀形貌進(jìn)行觀察。利用HRD-1000TMC/LCD 顯微硬度計測量熔覆層頂部中心至TC4 基材的顯微硬度，測量負(fù)載為1Kg，保荷時間為15s。

2 實驗結(jié)果與分析

激光熔覆工藝參數(shù)決定熔覆層的成形質(zhì)量，不適宜的工藝參數(shù)會導(dǎo)致熔覆層成型不規(guī)則，與基體結(jié)合不牢固，以及稀釋率過大等問題。因此對熔覆層質(zhì)量來講激光熔覆工藝參數(shù)的選擇至關(guān)重要。

2.1 激光工藝參數(shù)對熔覆層宏觀形貌表面質(zhì)量的影響

圖1 為TC4 表面熔覆Ni60 熔覆層部分樣品的宏觀形貌。從圖中可以觀察到：當(dāng)激光輸出功率不變，掃描速度增大時，熔覆層寬度的變化不大，當(dāng)激光功率為600W，掃描速度增大時，熔覆層高度減小；當(dāng)激光掃描速度不變，輸出功率增大時，熔覆層寬度明顯增大。可見，激光輸出功率主要影響熔覆層寬度，熔覆層寬度隨輸出功率增加而增大；激光掃描速度主要影響熔覆層高度，其他條件不變，熔覆層高度隨掃描速度增加而減小。當(dāng)輸出功率過大，掃描速度過小時，可能會造成熔池過燒；當(dāng)輸出功率過小，掃描速度過大時，可能會導(dǎo)致粉末在基體上熔覆不上。

圖1 不同激光熔覆功率下Ni60熔覆層的表面形貌

2.2 激光工藝參數(shù)對熔覆層微觀形貌的影響

從圖2 中可看出，掃描速度相同，熔覆層深度隨功率增大而增加。當(dāng)激光功率為450W 時，激光功率過小，激光能量大部分被用于熔化合金粉末，傳遞給基材的激光熱量低，基底材料僅表層熔化，但熔覆材料與基材之間結(jié)合不牢固。當(dāng)激光功率為900W 時，激光功率增大，激光能量可以使熔覆材料熔化，同時使得基底材料有一定程度的熔化，熔覆層與基材形成了牢固的冶金結(jié)合且結(jié)合牢固，且熔覆層中裂紋和氣孔等缺陷較少。當(dāng)激光功率為1200W 時，熔覆層的成型不規(guī)則，由于激光功率過于大，導(dǎo)致熔覆層與基材結(jié)合處出現(xiàn)了明顯的開裂，熔覆層在受到外力的作用下，易發(fā)生剝落。

圖2 掃描速度3mm∕s 激光功率為450W，900W，1200W的顯微形貌

從圖3中可看出，激光功率不變，掃描速度增大，熔覆層高度降低，熔覆層寬度也降低。當(dāng)掃描速度為3mm/s 時，由于掃描速度較小，激光停留在一個位置的時間較長，熔覆層出現(xiàn)氣孔和裂紋的傾向增大。當(dāng)掃描速度為4mm/s 時，激光功率與速度匹配良好，熔高和熔深均較適宜，且未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔。當(dāng)掃描速度為5mm/s 時，掃描速度過快，同軸式送粉在一個位置停留時間短，熔覆層高度較小，且在熔覆層靠近表層出現(xiàn)了尺寸較大的氣孔。當(dāng)掃描速度為6mm/s時，熔覆層掃描速度最快，熔覆層高度也較小，熔覆層表層出現(xiàn)了氣孔，且在熔覆層與基底材料結(jié)合處出現(xiàn)了裂紋。綜上，當(dāng)工藝參數(shù)為4mm/s，1050W 時，熔覆層成型良好。

圖3 激光功率1050W，掃描速度3mm∕s，4mm∕s，5mm∕s，6mm∕s的顯微形貌

2.3 激光工藝參數(shù)對熔覆層高度和深度的影響

激光熔覆是利用熱源將具有特殊性能的合金粉末融化在基體表面，達(dá)到冶金結(jié)合。圖4為熔覆層的截面示意圖。熔覆層深度和熔覆層高度是評判熔覆層成型的兩個重要數(shù)據(jù)。采用Nano Measurer軟件對熔覆層高度和深度進(jìn)行測量。

圖4 熔覆層截面分區(qū)示意圖

圖5（a）為不同掃描速度條件下熔覆層高度隨激光功率變化的趨勢圖，從圖中可以看出，掃描速度相同時，熔覆層高度大體隨功率增大而增大。當(dāng)熔覆功率相同時，掃描速度越快，熔覆層高度越小。當(dāng)激光功率為450W，掃描速度大于等于4mm/s 時，由于掃描速度過快，導(dǎo)致熱輸入過小，未將合金粉末熔化，熔覆層高度幾乎為0。掃描速度為3mm/s 時，熔覆層高度明顯高于其他掃描速度，但是在掃描速度為3mm/s，功率過小時，與基材結(jié)合差，功率過大時，易產(chǎn)生氣孔和裂紋。圖5（b）為不同掃描速度條件下熔覆層深度隨激光功率變化的趨勢圖，從圖中可以看出，掃描速度相同時，熔覆層高度大體隨功率增大而增大。當(dāng)熔覆功率相同時，掃描速度越快，熔覆層高度越小。激光功率和掃描速度對熔覆層深度的影響比熔覆層高度的影響更為顯著。

圖5 輸出功率與掃描速度對熔覆層高度及熔覆層深度的影響

當(dāng)激光功率不變時，掃描速度改變時，激光在固定位置的停留時間差異較大，對熔池作用效果差異明顯。激光功率和掃描速度綜合影響熔覆層的成形，因此使用激光熔覆線能量這一概念更為客觀。激光熔覆線能量EL 定義為單位熔覆長度熱輸入量的大小，即激光功率P 與激光掃描速度Vs的比值，其表達(dá)式為：

通過公式1 計算出不同工藝參數(shù)條件下激光熔覆線能量EL的大小。圖6 為線能量與熔覆層的高度和深度的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著線能量EL的增大，熔覆層的高度和深度呈現(xiàn)整體增大的趨勢。較熔覆層高度而言，線能量對熔覆層深度影響更為明顯。

圖6 線能量與熔覆層的高度和深度關(guān)系

2.4 輸出功率與掃描速度對熔覆層硬度的影響

圖7 為不同工藝參數(shù)下熔覆層顯微硬度的等值分布圖，可以看出掃描速度為3m/s，4m/s 時，激光功率增大，熔覆層硬度先增大后減小。當(dāng)掃描速度為5m/s，6m/s 時，激光功率增大，激光熔覆層的硬度波動較大。其中掃描速度為4mm/s 激光熔覆層的顯微硬度波動較小，分布較為均勻，說明掃描速度時與激光功率的匹配合理。當(dāng)掃描速度為4mm/s，功率1050W 時，熔覆層硬度最大為1314HV，相當(dāng)于基體的三倍。Ni60A 熔覆層硬度相對于基體有顯著提高。從圖中我們還可以看出，在固定的工藝參數(shù)條件下，硬度隨距熔覆層表面距離增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在熔覆層與基底材料的截面處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

圖7 不同工藝參數(shù)與熔覆層硬度的關(guān)系

2.5 優(yōu)選熔覆層工藝參數(shù)

主要通過熔覆層高度、是否產(chǎn)生裂紋和氣孔、硬度等方面對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，通過對不同工藝參數(shù)下熔覆層高度、深度和硬度進(jìn)行分析，從表2 中可以看出：當(dāng)功率過小（≤600W）時，熔覆層主要出現(xiàn)熔覆層高度過小的問題，當(dāng)功率過大（≥1200W）時，熔覆層主要出現(xiàn)氣孔和裂紋的問題，只有當(dāng)激光功率和掃描速度匹配時，才能得到基本無缺陷的熔覆層。根據(jù)圖6 和表2，結(jié)合線能量EL的概念，可得出當(dāng)線能量EL在260～350 這個范圍內(nèi)，可以得到性能優(yōu)良的熔覆層。

表2 優(yōu)選工藝參數(shù)表

根據(jù)表2 中可得出當(dāng)掃描速度為3mm/s，功率1050W；掃描速度4mm/s，功率1050W 或掃描速度5mm/s，功率1350W 參數(shù)條件下，熔覆層高度良好，幾乎沒有裂紋和氣孔。其中參數(shù)為4mm/s，功率1050W時熔覆層硬度最高。

3 結(jié)論

（1）掃描速度相同，熔覆層深度和高度隨功率增大而增加；激光功率不變，熔覆層深度和高度隨掃描速度增大而降低。激光功率和掃描速度對熔覆層深度的影響比熔覆層高度的影響更為顯著。

（2）掃描速度為4mm/s 熔覆層的顯微硬度波動較小，分布較為均勻，說明掃描速度與激光功率的匹配合理。當(dāng)掃描速度為4mm/s，功率1050W 時，熔覆層硬度最大為1314HV，相當(dāng)于基體的三倍。

（3）通過熔覆層高度、深度和硬度三方面來優(yōu)化工藝參數(shù)，鈦合金表面激光熔覆Ni60 涂層最佳的一組工藝參數(shù)為：掃描速度4mm/s，功率1050W。