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(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性好和無(wú)磁等特點(diǎn)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)部件的應(yīng)用[2]。因此，提高鈦合金表面性能對(duì)提高鈦合金制機(jī)器服役壽命及擴(kuò)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(wú)法承受嚴(yán)重的機(jī)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(jì)熔覆材料，加工精度高、可局部修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[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(rùn)濕性、自熔性、耐磨性和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。Ni60 粉末即為鎳基自熔性合金粉末，其含有的Si、B 元素有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用，并形成低熔點(diǎn)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(guó)內(nèi)外研究主要集中在豐富熔覆涂層粉末體系，但對(duì)于激光熔覆制備涂層工藝參數(shù)對(duì)涂層組織和力學(xué)性能的有關(guān)研究較少。

本試驗(yàn)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(guò)調(diào)控掃描速度和激光功率對(duì)熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到致密無(wú)裂，與基體結(jié)合良好，且對(duì)表面力學(xué)性能提升顯著的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)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(huì)在此處出現(xiàn)氣孔和裂紋[14]。因此激光熔覆前，利用砂紙對(duì)TC4 合金表面進(jìn)行打磨，去除氧化層后用無(wú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(duì)試樣的截面宏觀形貌進(jìn)行觀察。利用HRD-1000TMC/LCD 顯微硬度計(jì)測(cè)量熔覆層頂部中心至TC4 基材的顯微硬度，測(cè)量負(fù)載為1Kg，保荷時(shí)間為15s。

2 實(shí)驗(yàn)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(huì)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(guò)大等問(wèn)題。因此對(duì)熔覆層質(zhì)量來(lái)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(duì)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(shí)，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(shí)，熔覆層高度減小；當(dāng)激光掃描速度不變，輸出功率增大時(shí)，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(guò)大，掃描速度過(guò)小時(shí)，可能會(huì)造成熔池過(guò)燒；當(dāng)輸出功率過(guò)小，掃描速度過(guò)大時(shí)，可能會(huì)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(duì)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(shí)，激光功率過(guò)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(shí)，激光功率增大，激光能量可以使熔覆材料熔化，同時(shí)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(shí)，熔覆層的成型不規(guī)則，由于激光功率過(guò)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(shí)，由于掃描速度較小，激光停留在一個(gè)位置的時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)，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(shí)，掃描速度過(guò)快，同軸式送粉在一個(gè)位置停留時(shí)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(píng)判熔覆層成型的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)。采用Nano Measurer軟件對(duì)熔覆層高度和深度進(jìn)行測(cè)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(shì)圖，從圖中可以看出，掃描速度相同時(shí)，熔覆層高度大體隨功率增大而增大。當(dāng)熔覆功率相同時(shí)，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(shí)，由于掃描速度過(guò)快，導(dǎo)致熱輸入過(guò)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(shí)，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(guò)小時(shí)，與基材結(jié)合差，功率過(guò)大時(shí)，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(shì)圖，從圖中可以看出，掃描速度相同時(shí)，熔覆層高度大體隨功率增大而增大。當(dāng)熔覆功率相同時(shí)，掃描速度越快，熔覆層高度越小。激光功率和掃描速度對(duì)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(duì)熔覆層高度及熔覆層深度的影響

當(dāng)激光功率不變時(shí)，掃描速度改變時(shí)，激光在固定位置的停留時(shí)間差異較大，對(duì)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(zhǎng)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(guò)公式1 計(jì)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(shì)。較熔覆層高度而言，線能量對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，激光功率增大，激光熔覆層的硬度波動(dòng)較大。其中掃描速度為4mm/s 激光熔覆層的顯微硬度波動(dòng)較小，分布較為均勻，說(shuō)明掃描速度時(shí)與激光功率的匹配合理。當(dāng)掃描速度為4mm/s，功率1050W 時(shí)，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(duì)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(shì)，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(guò)熔覆層高度、是否產(chǎn)生裂紋和氣孔、硬度等方面對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，通過(guò)對(duì)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(guò)?。ā?00W）時(shí)，熔覆層主要出現(xiàn)熔覆層高度過(guò)小的問(wèn)題，當(dāng)功率過(guò)大（≥1200W）時(shí)，熔覆層主要出現(xiàn)氣孔和裂紋的問(wèn)題，只有當(dāng)激光功率和掃描速度匹配時(shí)，才能得到基本無(wú)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(gè)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(shí)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(duì)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(dòng)較小，分布較為均勻，說(shuō)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(shí)，熔覆層硬度最大為1314HV，相當(dāng)于基體的三倍。

（3）通過(guò)熔覆層高度、深度和硬度三方面來(lái)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。