发布日期：2025-8-20 16:43:15
1、序言
钛材质轻，且具有较高的塑韧性，优异耐腐蚀性，及良好生物相容性，被称为“太空金属”和“海洋金属”，因此被广泛的应用在航天航空、石油化工和交通等领域中[1-5]。随着生活水平的提高，人们对日用品的质量越来越重视，因此具有良好生物相容性的钛材制品越来越受到人们的青睐，市场在出现了大量的钛制水杯、筷子和炊具等[6-9]。但是这种钛制品因硬度不高，在使用过程中表面易出现划痕等缺陷[8-10]，不利于后续的清洗和使用，因此大大限制了钛材在该领域中的应用。为解决这一问题，必须采用措施以提高钛材表面的硬度。
材料表面激光熔敷技术是利用激光束对工件表面进行辐照，并在工件表面形成熔化的金属层或熔覆层，与基体相结合以达到强化效果的方法。在制备过程中，功率较高的激光将具有较高硬度或其他性能的材料，如镍、钴、铁等，均匀地熔覆在基体表面，从而在其表面形成一层硬度更高的熔覆材料层[10,13-18]。杨理京等[8]在纯钛表面制备了WC7Co/TC4复合耐磨涂层，显著地提高了钛的表面硬度。ADESINA[9]在激光功率为900W，送粉速率为1.0g/min，扫描速率为0.6m/min的工艺条件下，在TC4表面制备了Co+Ti涂层，结果发现涂层与基体形成良好冶金结合，且涂层的摩擦系数低于0.18μm，耐磨性优于TC4基体。SHAO等[11]在TC4表面制备TiC+TiB涂层后，涂层平均硬度为1045HV0.1，比基体（373HV0.1）提高了180%。可见采用激光熔敷法在钛及钛合金表面制备涂层可以提高其表面硬度。碳化硼（B4C）陶瓷颗粒是常用的涂层强化材料，王俊豪等[12]在AA7075表面制备了Ti+B4C涂层，其平均硬度和抗拉强度为1388.17HV0.2和336.93MPa，比AA7075提高了41.6%和68.4%。但是在钛表面制备含碳化硼（B4C）涂层的文献报道较少。基于此，本次试验采用该技术对纯钛表面进行处理，以达到提高钛材表面硬度的目的，并通过分析界面区域的微观组织和力硬度试验检测，来评估该类复合材料使用性能，拓宽钛材在日用品领域的应用范围。
2、材料与方法
2.1试验材料
试验所用基体材料为工业纯钛TA2，其化学成分见表1。激光熔覆用混合粉末为B4C和纯钛粉的混合物，两者的化学成分见表2。选用的Ti粉末和B4C粉末粉末粒度均≤47μm（325目）。B4C粉末与纯钛粉在RF-WJ001型混粉机内进行机械搅拌，时间为1h。混和后的粉末需在烘干箱（CREE-5013B）中烘干：100℃/30min。
表 1 TA2 化学成分 (质量分数)(%)
| Fe | C | O | N | H | Ti |
| 0.13 | 0.04 | 0.2 | 0.03 | 0.001 | 余量 |
表 2 TA1 和 B₄C 的化学成分 (质量分数)(%)
| Ti | C | B | Fe | Si | N | H | O | |
| 纯钛粉 | 其余 | 0.05 | - | 0.15 | 0.1 | 0.03 | 0.015 | 0.15 |
| B₄C 粉 | - | 21.74 | 78.27 | - | - | - | - | - |
表 3 不同工艺下对应的工艺参数
| 工艺编号 | 激光功率 /W | 粉末中 B₄C 的比例 (质量分数，%) |
| 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试验与检验
采用YSL-10000-KC激光器在氩气氛围中进行激光熔覆，送粉速率为50g/min，扫描速率为3mm/s。前期文献表明激光熔覆过程中[11,15,17,18]，激光功率和粉末的成分对熔覆层的性能影响较大，因此试验以激光功率，和B4C粉末与纯钛粉比例为变量，设计12组工艺试验。 具体参数见表3。本次试验为道次熔覆，在TA2表面制备熔覆层后，沿熔覆层纵界面取样，利用AxioVert.A1型金相显微镜观察试样剖面的微观组织形貌，初步评估熔覆层的结合质量。所用腐蚀剂为HF+HNO3+H2O，比例为1:3:50。
通过HVS-1000Z型数显自动转塔形显微硬度计检测试样的硬度，加载时间为10s，载荷为980.7mN。通过型号为SS550的扫描电镜观察试样界面微观组织。
3、结果与讨论
3.1熔覆层外观质量
采用12种不同的工艺参数对TA2表面进行激光熔覆，为考察工艺的稳定性，每组工艺分别实施3次单层熔覆，结果如图1所示。从图1中可以看出，在低激光功率条件下（900W），工艺1、工艺4、工艺7和工艺10条件下熔覆层表面均匀性较差，出现褶皱现象。这表明在低激光功率条件下，粉末可能未完全熔融，因此熔覆层出现褶皱。另外，在高功率条件下（1200W），当B4C粉末含量较低时（工艺3和工艺6），同一工艺下部分熔覆层表面呈现黄或蓝色，出现了烧蚀现象，而B4C粉末不低于15%时（工艺9和工艺12），熔覆层表面光滑、均匀、平整，无褶皱或烧蚀等缺陷。激光功率为1050W，当B4C粉末含量不高于10%时（工艺2和工艺5），试件的熔覆层表面出现褶皱，当粉末含量不低于15%时（工艺8和工艺11），熔覆层表面光滑均匀。因此，从熔覆层外观来看，工艺8、工艺9、工艺11和工艺12条件下熔覆层表面质量良好。为进一步评估熔覆层与基体的结合情况及其硬度变化，对试样剖面进行微观组织和硬度检测。
3.2微观组织分析
4种工艺条件下试样剖面微观组织如图2所示。图2a为工艺8条件下试样微观组织，从图中可以看出熔覆层与基体结合良好，无孔洞、裂纹及分层等缺陷，且熔覆层致密均匀，无孔洞等缺陷。
此时提高激光熔覆的功率至1200W（工艺9），试件的微观组织与工艺8相似，熔覆层致密均匀，且与基层结合良好（见图2b）。但是增加B4C粉的含量至20%时（工艺11和工艺12），试件微观组织分别如图2c和2d所示，从图2c中可以看出，在功率为1050W时，熔覆层与基层之间出现了连续的过渡层（图中虚线区域），厚度约80μm，同时熔覆层存在明显的裂纹。而当功率提高至1200W，熔覆层均匀致密、无裂纹，但是此时熔覆层与基体之间仍存在连续的过渡层，且比工艺11条件下的过渡层厚，约为100μm。这些连续的过渡层可能是由于B4C粉含量过高导致[14-16]。这种过渡层一般硬度较低，极易降低熔覆层与基体结合质量[14,16-18]。为进一步观察工艺8和9条件下试样界面的结合状态，对试样进行SEM检测，结果如图3所示。从图中可以看出，两种工艺条件下试样界面结合良好，无分层、孔洞或夹杂等缺陷存在。工艺9条件下熔覆层组织较粗大，这可能是该工艺的功率较高导致的。
3.3显微硬度检测
为检测激光熔覆后试样的硬度变化情况，对四种工艺下的试件分别进行硬度检测，结果如图4所示。从图中可以看出，4种工艺条件下，基体TA2靠近界面200μm区域的硬度在110～136HV范围内，与原始TA2材料的硬度相似[19]。而在试样的熔覆层一侧，不同工艺下近界面区域硬度变化较大。工艺8条件下熔覆层侧紧邻界面处的硬度为310HV，随着与界面距离的增加，硬度逐渐增加至584HV。工艺9条件下紧邻界面处的硬度为356HV，远离界面处的硬度逐渐增加至1240HV，远高于工艺8。工艺11和工艺12条件下熔覆层紧邻界面处的硬度较低。工艺11条件下试样熔覆层在距离界面50μm以内时，硬度在108～112HV范围内，超过50μm后，硬度逐渐升高至1377HV。
工艺12条件下，在距离界面100μm以内时，硬度基本相似，在156～165HV之间，超过100μm时，硬度逐渐升高，最高至1618HV。工艺11和工艺12条件下，熔覆层界面区域均出现硬度较低的现象，这与微观组织检测的结果一致。这种在基层与熔覆层之间出现的硬度较低的连续层将导致结合质量降低。综上所述，当激光功率为1200W，B4C粉末含量为15%（工艺9）时，更适合在TA2表面制备高硬度Ti+B4C熔覆层。
4、结束语
采用激光熔覆技术在TA2表面制备了Ti+B4C熔覆层，对比不同工艺条件下试样微观组织与硬度，结果如下。
1）当功率为900W时，熔覆层外观表面质量较差；当激光功率不小于1050W，B4C粉末含量不低于15%时，熔覆层外观表面光滑、均匀。
2）当B4C粉末含量为15%时，试件熔覆层与基体结合良好，熔覆层侧硬度随着与界面距离增加而升高，当功率为1200W时，硬度最高达到1240HV；当B4C含量为20%时，熔覆层与基层之间出现连续的过渡层，硬度检测结果显示该过渡层硬度较低，将影响熔覆层与基体的结合质量。因此采用激光熔覆技术在TA2表面制备高硬度熔覆层的最优工艺为：功率1200W，B4C含量为15%。
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通信作者：赵惠，教授，博士，主要研究方向为金属复合材料成型工艺、金属材料表面改性，E-mail：huier7921@126.com。
基金项目：西安石油大学省级大学生创新创业训练计划资助项目（S202310705143)；西安市科技计划项目（24GXFW0073）。
（注，原文标题：钛材表面激光熔覆层制备工艺研究）
tag标签:B₄C-Ti复合涂层,纯钛表面,激光熔覆,性能调控,工艺参数系统优化