1、序言

鈦材質(zhì)輕，且具有較高的塑韌性，優(yōu)異耐腐蝕性，及良好生物相容性，被稱為“太空金屬”和“海洋金屬”，因此被廣泛的應(yīng)用在航天航空、石油化工和交通等領(lǐng)域中[1-5]。隨著生活水平的提高，人們對(duì)日用品的質(zhì)量越來(lái)越重視，因此具有良好生物相容性的鈦材制品越來(lái)越受到人們的青睞，市場(chǎng)在出現(xiàn)了大量的鈦制水杯、筷子和炊具等[6-9]。但是這種鈦制品因硬度不高，在使用過(guò)程中表面易出現(xiàn)劃痕等缺陷[8-10]，不利于后續(xù)的清洗和使用，因此大大限制了鈦材在該領(lǐng)域中的應(yīng)用。為解決這一問(wèn)題，必須采用措施以提高鈦材表面的硬度。

材料表面激光熔敷技術(shù)是利用激光束對(duì)工件表面進(jìn)行輻照，并在工件表面形成熔化的金屬層或熔覆層，與基體相結(jié)合以達(dá)到強(qiáng)化效果的方法。在制備過(guò)程中，功率較高的激光將具有較高硬度或其他性能的材料，如鎳、鈷、鐵等，均勻地熔覆在基體表面，從而在其表面形成一層硬度更高的熔覆材料層[10,13-18]。楊理京等[8]在純鈦表面制備了WC7Co/TC4復(fù)合耐磨涂層，顯著地提高了鈦的表面硬度。ADESINA[9]在激光功率為900W，送粉速率為1.0g/min，掃描速率為0.6m/min的工藝條件下，在TC4表面制備了Co+Ti涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層與基體形成良好冶金結(jié)合，且涂層的摩擦系數(shù)低于0.18μm，耐磨性優(yōu)于TC4基體。SHAO等[11]在TC4表面制備TiC+TiB涂層后，涂層平均硬度為1045HV0.1，比基體（373HV0.1）提高了180%�？梢�(jiàn)采用激光熔敷法在鈦及鈦合金表面制備涂層可以提高其表面硬度。碳化硼（B4C）陶瓷顆粒是常用的涂層強(qiáng)化材料，王俊豪等[12]在AA7075表面制備了Ti+B4C涂層，其平均硬度和抗拉強(qiáng)度為1388.17HV0.2和336.93MPa，比AA7075提高了41.6%和68.4%。但是在鈦表面制備含碳化硼（B4C）涂層的文獻(xiàn)報(bào)道較少。基于此，本次試驗(yàn)采用該技術(shù)對(duì)純鈦表面進(jìn)行處理，以達(dá)到提高鈦材表面硬度的目的，并通過(guò)分析界面區(qū)域的微觀組織和力硬度試驗(yàn)檢測(cè)，來(lái)評(píng)估該類復(fù)合材料使用性能，拓寬鈦材在日用品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

2、材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用基體材料為工業(yè)純鈦TA2，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。激光熔覆用混合粉末為B4C和純鈦粉的混合物，兩者的化學(xué)成分見(jiàn)表2。選用的Ti粉末和B4C粉末粉末粒度均≤47μm（325目）。B4C粉末與純鈦粉在RF-WJ001型混粉機(jī)內(nèi)進(jìn)行機(jī)械攪拌，時(shí)間為1h�；旌秃蟮姆勰┬柙诤娓上洌–REE-5013B）中烘干：100℃/30min。

表 1 TA2 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

Fe	C	O	N	H	Ti
0.13	0.04	0.2	0.03	0.001	余量

表 2 TA1 和 B₄C 的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

	Ti	C	B	Fe	Si	N	H	O
純鈦粉	其余	0.05	-	0.15	0.1	0.03	0.015	0.15
B₄C 粉	-	21.74	78.27	-	-	-	-	-

表 3 不同工藝下對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)

工藝編號(hào)	激光功率 /W	粉末中 B₄C 的比例 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
1	900	5
2	1050	5
3	1200	5
4	900	10
5	1050	10
6	1200	10
7	900	15
8	1050	15
9	1200	15
10	900	20
11	1050	20
12	1200	20

2.2試驗(yàn)與檢驗(yàn)

采用YSL-10000-KC激光器在氬氣氛圍中進(jìn)行激光熔覆，送粉速率為50g/min，掃描速率為3mm/s。前期文獻(xiàn)表明激光熔覆過(guò)程中[11,15,17,18]，激光功率和粉末的成分對(duì)熔覆層的性能影響較大，因此試驗(yàn)以激光功率，和B4C粉末與純鈦粉比例為變量，設(shè)計(jì)12組工藝試驗(yàn)。 具體參數(shù)見(jiàn)表3。本次試驗(yàn)為道次熔覆，在TA2表面制備熔覆層后，沿熔覆層縱界面取樣，利用AxioVert.A1型金相顯微鏡觀察試樣剖面的微觀組織形貌，初步評(píng)估熔覆層的結(jié)合質(zhì)量。所用腐蝕劑為HF+HNO3+H2O，比例為1:3:50。

通過(guò)HVS-1000Z型數(shù)顯自動(dòng)轉(zhuǎn)塔形顯微硬度計(jì)檢測(cè)試樣的硬度，加載時(shí)間為10s，載荷為980.7mN。通過(guò)型號(hào)為SS550的掃描電鏡觀察試樣界面微觀組織。

3、結(jié)果與討論

3.1熔覆層外觀質(zhì)量

采用12種不同的工藝參數(shù)對(duì)TA2表面進(jìn)行激光熔覆，為考察工藝的穩(wěn)定性，每組工藝分別實(shí)施3次單層熔覆，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，在低激光功率條件下（900W），工藝1、工藝4、工藝7和工藝10條件下熔覆層表面均勻性較差，出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。這表明在低激光功率條件下，粉末可能未完全熔融，因此熔覆層出現(xiàn)褶皺。另外，在高功率條件下（1200W），當(dāng)B4C粉末含量較低時(shí)（工藝3和工藝6），同一工藝下部分熔覆層表面呈現(xiàn)黃或藍(lán)色，出現(xiàn)了燒蝕現(xiàn)象，而B(niǎo)4C粉末不低于15%時(shí)（工藝9和工藝12），熔覆層表面光滑、均勻、平整，無(wú)褶皺或燒蝕等缺陷。激光功率為1050W，當(dāng)B4C粉末含量不高于10%時(shí)（工藝2和工藝5），試件的熔覆層表面出現(xiàn)褶皺，當(dāng)粉末含量不低于15%時(shí)（工藝8和工藝11），熔覆層表面光滑均勻。因此，從熔覆層外觀來(lái)看，工藝8、工藝9、工藝11和工藝12條件下熔覆層表面質(zhì)量良好。為進(jìn)一步評(píng)估熔覆層與基體的結(jié)合情況及其硬度變化，對(duì)試樣剖面進(jìn)行微觀組織和硬度檢測(cè)。

3.2微觀組織分析

4種工藝條件下試樣剖面微觀組織如圖2所示。圖2a為工藝8條件下試樣微觀組織，從圖中可以看出熔覆層與基體結(jié)合良好，無(wú)孔洞、裂紋及分層等缺陷，且熔覆層致密均勻，無(wú)孔洞等缺陷。

此時(shí)提高激光熔覆的功率至1200W（工藝9），試件的微觀組織與工藝8相似，熔覆層致密均勻，且與基層結(jié)合良好（見(jiàn)圖2b）。但是增加B4C粉的含量至20%時(shí)（工藝11和工藝12），試件微觀組織分別如圖2c和2d所示，從圖2c中可以看出，在功率為1050W時(shí)，熔覆層與基層之間出現(xiàn)了連續(xù)的過(guò)渡層（圖中虛線區(qū)域），厚度約80μm，同時(shí)熔覆層存在明顯的裂紋。而當(dāng)功率提高至1200W，熔覆層均勻致密、無(wú)裂紋，但是此時(shí)熔覆層與基體之間仍存在連續(xù)的過(guò)渡層，且比工藝11條件下的過(guò)渡層厚，約為100μm。這些連續(xù)的過(guò)渡層可能是由于B4C粉含量過(guò)高導(dǎo)致[14-16]。這種過(guò)渡層一般硬度較低，極易降低熔覆層與基體結(jié)合質(zhì)量[14,16-18]。為進(jìn)一步觀察工藝8和9條件下試樣界面的結(jié)合狀態(tài)，對(duì)試樣進(jìn)行SEM檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，兩種工藝條件下試樣界面結(jié)合良好，無(wú)分層、孔洞或夾雜等缺陷存在。工藝9條件下熔覆層組織較粗大，這可能是該工藝的功率較高導(dǎo)致的。

3.3顯微硬度檢測(cè)

為檢測(cè)激光熔覆后試樣的硬度變化情況，對(duì)四種工藝下的試件分別進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，4種工藝條件下，基體TA2靠近界面200μm區(qū)域的硬度在110～136HV范圍內(nèi)，與原始TA2材料的硬度相似[19]。而在試樣的熔覆層一側(cè)，不同工藝下近界面區(qū)域硬度變化較大。工藝8條件下熔覆層側(cè)緊鄰界面處的硬度為310HV，隨著與界面距離的增加，硬度逐漸增加至584HV。工藝9條件下緊鄰界面處的硬度為356HV，遠(yuǎn)離界面處的硬度逐漸增加至1240HV，遠(yuǎn)高于工藝8。工藝11和工藝12條件下熔覆層緊鄰界面處的硬度較低。工藝11條件下試樣熔覆層在距離界面50μm以內(nèi)時(shí)，硬度在108～112HV范圍內(nèi)，超過(guò)50μm后，硬度逐漸升高至1377HV。

工藝12條件下，在距離界面100μm以內(nèi)時(shí)，硬度基本相似，在156～165HV之間，超過(guò)100μm時(shí)，硬度逐漸升高，最高至1618HV。工藝11和工藝12條件下，熔覆層界面區(qū)域均出現(xiàn)硬度較低的現(xiàn)象，這與微觀組織檢測(cè)的結(jié)果一致。這種在基層與熔覆層之間出現(xiàn)的硬度較低的連續(xù)層將導(dǎo)致結(jié)合質(zhì)量降低。綜上所述，當(dāng)激光功率為1200W，B4C粉末含量為15%（工藝9）時(shí)，更適合在TA2表面制備高硬度Ti+B4C熔覆層。

4、結(jié)束語(yǔ)

采用激光熔覆技術(shù)在TA2表面制備了Ti+B4C熔覆層，對(duì)比不同工藝條件下試樣微觀組織與硬度，結(jié)果如下。

1）當(dāng)功率為900W時(shí)，熔覆層外觀表面質(zhì)量較差；當(dāng)激光功率不小于1050W，B4C粉末含量不低于15%時(shí)，熔覆層外觀表面光滑、均勻。

2）當(dāng)B4C粉末含量為15%時(shí)，試件熔覆層與基體結(jié)合良好，熔覆層側(cè)硬度隨著與界面距離增加而升高，當(dāng)功率為1200W時(shí)，硬度最高達(dá)到1240HV；當(dāng)B4C含量為20%時(shí)，熔覆層與基層之間出現(xiàn)連續(xù)的過(guò)渡層，硬度檢測(cè)結(jié)果顯示該過(guò)渡層硬度較低，將影響熔覆層與基體的結(jié)合質(zhì)量。因此采用激光熔覆技術(shù)在TA2表面制備高硬度熔覆層的最優(yōu)工藝為：功率1200W，B4C含量為15%。

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通信作者：趙惠，教授，博士，主要研究方向?yàn)榻饘購(gòu)?fù)合材料成型工藝、金屬材料表面改性，E-mail：huier7921@126.com。

基金項(xiàng)目：西安石油大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（S202310705143)；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（24GXFW0073）。

（注，原文標(biāo)題：鈦材表面激光熔覆層制備工藝研究）

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tag標(biāo)簽:B₄C-Ti復(fù)合涂層,純鈦表面,激光熔覆,性能調(diào)控,工藝參數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化

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