中圖分類號：TG174.4；TN249 文獻標志碼：A 文章編號：1672-0105（2025）02-0058-06

Research Status and Prospect of Laser Cladding Titanium Alloys

ZHANGBinglin，BAOJiajie （ZhejiangIndustryamp; Trade Vocational College，Wenzhou 325oo3，China）

Abstract：Titanium alloyis animportant choice for lightweight materials becauseof itsexcelent properties，butits development isrestrictedduetopoorsurface wearresistance.Lasercladdngtechnologyisanimportant method toimproethe surfacepropertiesoftitanumallys withadvantagessuchashighmtalurgicalbondingstrengthandcontrollble fmingproperties. Inthispaper，thelatestresearchdevelopmentsinpreparingtitanumaloycladdingvialasecaddingtechnologyaresummarized.The results of process parameteroptimizationandpowder materalselectionareanalyzed，revealingthatlaserpowerandsaingsped significantlyafectcladdngperformance.Furthermore，themechanismsunderlying improvements inwearresistanceandcorrosion resistancearedisussed，dmonstratingthatlasercadngeffectivelyeancesufacepropertistroughmetalurgcalodngand microstructure refinement. Finally， current challenges are addressed，and future development trends are predicted.

eywords： laser cladding; titanium alloy; material design; parameter optimization

鈦合金憑借其出色的比強度特性，在要求輕量化和高強度的工程應用中呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，正日益成為航空航天、汽車及船舶制造等多個高端裝備領域的核心材料[1-2]。但是鈦合金在特定工作環(huán)境下的耐磨性能表現(xiàn)不佳，成為制約其應用范圍進一步拓展的關鍵因素。尤其是在高溫服役環(huán)境下，鈦合金展現(xiàn)出的抗氧化及耐磨性能上的不足，顯著縮短了其使用壽命。表面改性技術可以通過增強表面性能的同時保持鈦合金原有的高比強度，因而成為解決上述問題的關鍵方法。而傳統(tǒng)的表面改性技術因受到一系列問題的制約而無法得到廣泛應用，如電鍍結合強度較低，噴丸強化難以形成均勻強化層，電子束加工需要真空環(huán)境限制且設備成本較高[3-4]。激光熔覆相比于上述方法具備冶金結合強度高、快速冷卻凝固使微觀結構致密均勻、加工工藝成本較低以及成型性能可調控等優(yōu)勢[5-。因此國內外學者重點圍繞使用激光熔覆技術提高鈦合金表面的耐磨耐蝕性能開展研究，從而延長鈦合金的服役壽命，進一步擴展鈦合金的應用范圍。當前研究的焦點，主要在激光熔覆工藝的精細化調控以及材料系統(tǒng)的優(yōu)化設計上，力求通過這些途徑顯著提升覆層的綜合性能。

一、激光熔覆原理

激光熔覆的填料方式主要有預置放粉和同步送粉兩種方式。預置放粉法，具有工藝流程較為簡單、粉末厚度均勻、結合強度較高等優(yōu)點，但存在生產(chǎn)效率低、不易于實現(xiàn)自動化與智能化生產(chǎn)、材料燒損相對嚴重以及氣孔裂紋較多等缺點。工藝流程如圖1所示[]。

同步送粉與預置放粉相比較，具有生產(chǎn)效率高、熔覆層質量穩(wěn)定、材料利用率較高的優(yōu)點，比較適用于進行自動化生產(chǎn)，但同時存在設備復雜、工藝參數(shù)調整難度較大、對于粉末粒度及流動性等質量要求較高的缺點。工藝流程如圖2所示[8]。

二、材料體系

充分分析基體與覆層材料的物理與化學性能，從而選擇合適的熔覆材料也是影響鈦合金表面性能的關鍵環(huán)節(jié)。通過大量的實驗以及測試分析，深入了解工藝參數(shù)與熔覆材料如何影響覆層性能，是在現(xiàn)實生產(chǎn)中實現(xiàn)鈦合金服役壽命延長自標的基礎。

（一）陶瓷

氮化物、碳化物、氧化物等陶瓷因其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、顯微硬度和耐磨耐蝕性能，常作為熔覆材料提高鈦合金的表面性能。NuoChen等人通過激光熔覆技術在TC4基材上制備了TiC/TiAl復合涂層，并且著重研究了TiC含量（ 5% 、 10% 、 15% 和20% ）對涂層微觀結構、顯微硬度和磨損特性的影響。研究結果表明，四種涂層的硬度均得到顯著提升，是基體的 1.8～2.4 倍，其中 15vol% 涂層的硬度最高（ 799HV_1.0 ）。XiaojinMiao等人[通過激光熔覆成功制備了含有Ti ΔN_Δ+TiB/TC4 的Ti基復合涂層。研究結果表明，BN的加入促進了微米級橢圓TiN相和納米級纖維TiB相的原位形成，形成了由TiB包圍和固定的硬質TiN的新結構，如圖3所示，因此可以解決添加陶瓷材料導致的脆性問題。隨著TiN和TiB相的增加，沒有發(fā)生明顯的塑性變形，在摩擦腐蝕過程中形成了致密的 TiO₂ 和 MoO₃ 氧化膜，摩擦腐蝕速率因此得到顯著降低。

張強在TC4基體上成功制備了含 2.5wt.% TiB₂ 的復合材料。結果表明，原位自生TiB增強相使顯微硬度提升至 1280HV ，抗拉強度達 1250MPa ，但延伸率下降 12%～15% ；經(jīng) 1050^°C 梯度熱循環(huán)后晶粒尺寸縮減至 8～12μm ，磨損量較基體降低 83% 。

（二）合金粉末

以Co、Ni與Fe等金屬粉末為基礎的合金粉末經(jīng)常被選用為熔覆材料，在鈦合金表面進行耐磨耐蝕性能覆層的制備。YueyangLiu等人[成功制備了以 Ti₂Ni 、TiNi和非晶為主的鈦合金覆層，并發(fā)現(xiàn)TiNi在下層的軟相將防止可能出現(xiàn)在頂層的裂紋擴展，覆層的顯微硬度和耐磨性能得到了有效提升。Ni元素也增加了陰極反應的極化，降低了覆層的腐蝕電流。同時，頂層中大量分散的細相增加了相界面處的電荷轉移阻力，這是耐腐蝕性提高的根本原因。FeiWeng等人[13]在TC4鈦合金表面進行Co基覆層的制備，研究發(fā)現(xiàn)，CoTi和CoTi金屬間化合物的形成是覆層顯微硬度和耐磨性能提升的重要原因。L.R.Kanyane等人[4在鈦合金表面制備Ni-Ti復合覆層，并對其在硫酸環(huán)境下的耐蝕性能進行分析發(fā)現(xiàn)，覆層的耐蝕性能得到提升的主要原因為晶粒細化和Ni元素的存在。YubinSun等人在鈦合金表面成功制備CoCrW覆層，并針對覆層在氯化鈉、鹽酸和硫酸溶液的耐蝕性能進行了測試分析，結果表明CoCrW覆層具有較低的侵蝕敏感性和較高的耐腐蝕性，并提供了卓越的抗腐蝕性能，如圖4所示，這種優(yōu)越性能主要歸功于表面形成的堅固鈍化膜，以及包層緊湊的微觀結構。

高熵合金粉末由于其獨特的成分設計和“雞尾酒效應”所帶來的優(yōu)異性能，也被廣泛研究。ChongDeng等人通過激光熔覆在Ti6Al4V板材上成功合成了 $_ ＼mathrm { C o C r F e N i M o } _ { 0 . 2 }$ 高熵合金涂層，覆層的硬度為 900HV_0.1 ，約為基材的2.3倍。覆層在 600^°C 的高溫環(huán)境下呈現(xiàn)出比基體更優(yōu)異的抗氧化性能，是因為氧化層致密且富含 Cr 元素。與此同時，覆層的耐磨性能和耐蝕性能都得到了顯著的提升。ZhenkangZhang等人[通過激光熔覆，在Ti6Al4V鈦合金表面制備了 FeCrAlMoSi_x 高熵合金覆層，來提高鈦合金表面微動磨損的耐磨性能，并重點探討了Si元素含量對于覆層的影響，研究結果如圖5所示，在室溫和 400^°C 的高溫環(huán)境下，增加Si元素的含量可以提高覆層的顯微硬度和耐磨性能。

Z.Y.Ren等人[18為了增強鈦合金表面的顯微硬度和耐磨性能，通過激光熔覆技術制備了NbMoTaWTi高熵合金覆層，涂層的頂部微觀結構以細小的樹突為主，而界面附近的底部區(qū)域由花瓣狀的粗樹突組成，顯微硬度由于細晶強化作用，從覆層頂部到基體呈現(xiàn)梯度分布，如圖6所示。程一凡等人[采用激光熔覆技術在TC4鈦合金表面制備AlCoCrFeNi高熵合金涂層，實驗發(fā)現(xiàn)1400W/12mm/s 工藝形成梯度晶層結構，覆層的硬度達677HV，相比基體的顯微硬度提升 95% 。高溫抗氧化測試顯示熔覆層氧化增重速率僅 1.318mg/cm² ，較基體降低 95.38% ；常溫摩擦磨損分析表明，雖摩擦系數(shù)略升，但涂層磨損量顯著減少。

（三）復合材料

復合材料覆層是激光熔覆制備鈦合金覆層的常用材料，而將上述的合金與陶瓷結合，從而在鈦合金表面制備金屬基復合覆層成為研究熱點。在激光熔覆過程中，合金作為陶瓷增強相與基體的結合相，可以有效降低覆層開裂的可能性，同時，可進一步形成新的相，從而發(fā)揮覆層所需的其他特性。因此，研究陶瓷粉末與合金粉末的混合比例對于覆層性能的影響是必要的。QunCai等人[2將研究重點放在TiC含量對于鈦合金Ni60覆層的影響上，隨著TiC含量的增加，覆層的耐磨性降低，試樣的彎曲強度降低，并伴有斷裂表面的脆性特征。在TiC含量高的涂層中，壓裂儀上存在一些未熔化的TiC顆粒，幾乎沒有塑性特征，進一步表明，涂層的機械性能受到TiC顆粒的顯著影響。而WC因為具有和鈦合金非常匹配的熱膨脹系數(shù)，也成為復合材料研究的重點內容。C.Jiang等人[2在Ti6Al4V基體上制備了WC-Co復合涂層。他們的實驗結果表明，WC顆粒和硬質碳化物相的存在使Ti6Al4V能夠在大載荷下抵抗變形。同時，硬質碳化物相有助于晶粒細化和分散增強，從而顯著提高涂層的硬度和耐磨性。而WC含量的增加，推進鈦合金覆層中TiC增強相的形成如圖7所示，而WC同時具有固溶強化的作用，可以顯著提高覆層的顯微硬度和耐磨性能[22]。 B₄C 作為一種共價鍵化合物，具有高熔點、低密度等優(yōu)異的物理性能，并具有較高的硬度。

WenchangWang等人[23]在NiCoCrAlY覆層中添加5% 、 10% 和 15% 的 B₄C 來研究其對于鈦合金覆層耐磨性能的影響，隨著 B₄C 含量的增加，復合覆層摩擦磨損系數(shù)得到顯著降低，摩擦磨損機理也從黏著和氧化磨損演變?yōu)槠谀p。

（四）添加劑

稀土元素具備特殊的物理與化學特性，可以通過降低臨界成核能、影響晶界運動和促進成核率進一步改善激光熔覆過程中覆層的微觀結構，并且可以減少覆層裂紋的產(chǎn)生。T.G.Zhang等人[24重點研究了不同含量的 Y₂O₃ 對于鈦合金覆層的成型和性能影響，結果如圖8所示，隨著 Y₂O₃ 含量的升高，覆層表面的裂紋數(shù)量逐漸減少，不同 Y₂O₃ 含量覆層的相組成保持不變。添加 Y₂O₃ 后，涂層的微觀結構明顯細化，TiC樹枝的方向特征明顯減弱，成核率顯著提高。當 Y₂O₃ 的添加量為 3wt% 時，涂層中析出了大量TiB₂ -TiC依賴生長的復合相。當 Y₂O₃ 的用量增加時，涂層的顯微硬度逐漸降低，涂層的磨損體積先增大后減小。在 TiB₂ -TiC復合相的作用下， 3wt% Y₂O₃ 覆層的耐磨性達到最佳。當 3wt%Y₂O₃ 涂層的摩擦系數(shù)最低時，磨損機理為磨料磨損。

BabatundeAbiodunObadele等人[25在鈦合金覆層中添加 ZrO₂ 并發(fā)現(xiàn)隨著 ZrO₂ 添加量的增加，磨損體積損失顯著減少。耐磨性的提高可歸因于 ZrO₂ 相的存在，它也導致了硬度值的提高。魏家?guī)浀热薣2用COMSOL模擬結合實驗驗證，并在TC4表面成功制備了含 Y₂O₃ 的鈦基稀土熔覆層，分析表明稀土添加使氣孔和裂紋減少 67% ，促進枝晶細化至 3～8μm 顯微硬度提升至420HV，接近基體硬度的兩倍。磨損試驗顯示熔覆層磨損失重降低 48% ，磨損機制由基體粘著磨損轉變?yōu)檩p微磨粒磨損。

三、工藝參數(shù)優(yōu)化

在激光熔覆過程中，激光向粉末以及基體進行熱量的輸入，以熔化粉末及基體，并形成熔池，然后進一步冷卻形成冶金結合。過小的熱量輸入，會導致冶金結合不良，氣孔裂紋較多甚至會造成覆層脫落；而過大的熱量輸人，會造成基體元素對粉末元素的稀釋，導致性能提升無法達成預期目標。因此，如何通過調整工藝參數(shù)，制備具有良好的冶金結合，致密均勻的微觀結構以及優(yōu)異性能的覆層是國內外研究的重點內容。ShaktiKumar等人[2通過使用cBN、TiO2和Ti6Al4V等高質量增強材料，在Ti6Al4V基體上形成了氮化物、硼化物和氧化層的金屬基復合覆層，并使用了響應面法來研究激光功率、掃描速度以及保護氣體流速對于覆層厚度以及顯微硬度的影響。統(tǒng)計分析表明，激光功率和掃描速度對層厚和顯微硬度有顯著影響，即激光功率和掃描速度越大，顯微硬度越高，覆層厚度越厚。MandeepDhanda等人[2通過預置鋪粉法在TC4鈦合金基體上成功制備Ni5Al（ 50vol% ） + hBN（10vol% ） +B₄C （ 20vol% ） + SiC 20% ）多組分覆層，并重點研究掃描速度對于覆層顯微硬度和耐磨性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱輸入的增加，基體材料的稀釋度增加，從而導致涂層軟化，而另一方面，較高的掃描速度會導致快速加熱和冷卻，微觀組織中出現(xiàn)更細的晶粒尺寸，較細的涂層顆粒在硬度和磨損特性方面表現(xiàn)更好。

因此，激光熔覆的工藝參數(shù)對鈦合金覆層的成型以及性能具有重大的影響，國內外學者也將研究重點聚焦在如何確定最優(yōu)工藝參數(shù)上。YaxinXu等人[2通過激光熔覆在Ti6Al4V基體上成功制備了具有梯度WC結構的兩層耐磨涂層，并采用正交工藝實驗以及灰色關聯(lián)度分析來確定最優(yōu)參數(shù)。姜順等人[30]針對 42CrMo 軸承表面修復，通過正交試驗結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡-遺傳算法建模及NSGA-ⅡI多目標優(yōu)化，確立了激光功率 1 050W 、送粉速度 0.65r/ min、掃描速度 8.8mm/s 的最優(yōu)參數(shù)組合，使熔覆層稀釋率降低 44.38% ，熱影響區(qū)深度縮減 6.15% ，顯微硬度提升 6.42% ，綜合性能提升顯著。綜上所述，激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化對于鈦合金表面性能提升具有重要的意義。

四、主要存在問題及展望

激光熔覆是提升鈦合金表面性能的重要選擇，但是也存在裂紋與氣孔兩大核心問題。成形金屬零件內部和外部殘余應力不同，內部容易形成壓應力，而外部通常為拉應力，導致表面裂紋的產(chǎn)生，通常可以采用優(yōu)化工藝參數(shù)和調整熔覆粉末材料的組成來進行解決。未能及時逃逸的氣體會在覆層內部形成氣孔，削弱覆層性能，合理的粉末體系的建立、工藝參數(shù)的優(yōu)化、粉末烘干防氧化等預處理是解決覆層氣孔的主要方法。

隨著技術的發(fā)展，激光熔覆逐漸向以下幾個方向聚焦。首先是梯度覆層的制備，單層熔覆容易出現(xiàn)的殘余應力問題，主要是由于基體材料與熔覆材料混合后的微觀結構驟變造成的。為了實現(xiàn)覆層更為優(yōu)異的性能，會在粉末材料設計中添加與基體元素差異過大的元素，從而會造成裂紋的產(chǎn)生，因此需要進行梯度設計，設置中間層來進行緩沖。其次，高熵合金粉末體系因其廣泛的材料設計空間，優(yōu)異的材料性能表現(xiàn)仍然是激光熔覆未來的發(fā)展方向，而進一步制備成分均勻的高熵合金非晶覆層同樣成為近期研究的熱點內容。同時，在優(yōu)化工藝參數(shù)方面，將電磁場與振動等輔助措施應用于激光熔覆過程中，也會一定程度上有利于基體材料與熔覆材料的充分混合。最后，在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法與正交實驗的結合，更有利于確定最優(yōu)參數(shù)以及明確各參數(shù)對覆層性能的影響。

五、結論

在激光熔覆技術領域，覆層微觀結構的優(yōu)化與材料性能的提升主要依賴于工藝參數(shù)的精確優(yōu)化與熔覆材料的科學設計。通過優(yōu)化調整激光功率、掃描速度等關鍵工藝參數(shù)，能夠有效促進良好冶金結合形成，從而避免氣孔、裂紋等缺陷的生成，確保覆層微觀組織達到致密且均勻的理想狀態(tài)。將陶瓷材料與合金材料進行設計形成復合材料體系，并添加稀有元素等添加劑可以顯著改善鈦合金微觀結構和表面性能。針對特定的服役環(huán)境所需要的耐磨耐蝕性能，可以設計出不同種類的鈦合金覆層，為現(xiàn)實生產(chǎn)中的多樣化需求提供強有力的支持。而未來的激光熔覆發(fā)展趨勢，將圍繞復合材料體系的深化應用展開，進一步對梯度覆層、非晶覆層等方向進行深入研究，同時，為了進一步提升加工效率與覆層質量，電磁場輔助、振動輔助等創(chuàng)新加工工藝的研究與應用也將成為研究的熱點與重點。

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（責任編輯：麻小珍）