1、序言

鈦材質輕，且具有較高的塑韌性，優異耐腐蝕性，及良好生物相容性，被稱為“太空金屬”和“海洋金屬”，因此被廣泛的應用在航天航空、石油化工和交通等領域中[1-5]。隨著生活水平的提高，人們對日用品的質量越來越重視，因此具有良好生物相容性的鈦材制品越來越受到人們的青睞，市場在出現了大量的鈦制水杯、筷子和炊具等[6-9]。但是這種鈦制品因硬度不高，在使用過程中表面易出現劃痕等缺陷[8-10]，不利于后續的清洗和使用，因此大大限制了鈦材在該領域中的應用。為解決這一問題，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是利用激光束對工件表面進行輻照，并在工件表面形成熔化的金屬層或熔覆層，與基體相結合以達到強化效果的方法。在制備過程中，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，結果發現涂層與基體形成良好冶金結合，且涂層的摩擦系數低于0.18μm，耐磨性優于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%。可見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）涂層的文獻報道較少。基于此，本次試驗采用該技術對純鈦表面進行處理，以達到提高鈦材表面硬度的目的，并通過分析界面區域的微觀組織和力硬度試驗檢測，來評估該類復合材料使用性能，拓寬鈦材在日用品領域的應用范圍。

2、材料與方法

2.1試驗材料

試驗所用基體材料為工業純鈦TA2，其化學成分見表1。激光熔覆用混合粉末為B4C和純鈦粉的混合物，兩者的化學成分見表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型混粉機內進行機械攪拌，時間為1h。混和后的粉末需在烘干箱（CREE-5013B）中烘干：100℃/30min。

表 1 TA2 化學成分 (質量分數)(%)

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

表 2 TA1 和 B₄C 的化學成分 (質量分數)(%)

	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 不同工藝下對應的工藝參數

工藝編號	激光功率 /W	粉末中 B₄C 的比例 (質量分數，%)
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試驗與檢驗

采用YSL-10000-KC激光器在氬氣氛圍中進行激光熔覆，送粉速率為50g/min，掃描速率為3mm/s。前期文獻表明激光熔覆過程中[11,15,17,18]，激光功率和粉末的成分對熔覆層的性能影響較大，因此試驗以激光功率，和B4C粉末與純鈦粉比例為變量，設計12組工藝試驗。 具體參數見表3。本次試驗為道次熔覆，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，初步評估熔覆層的結合質量。所用腐蝕劑為HF+HNO3+H2O，比例為1:3:50。

通過HVS-1000Z型數顯自動轉塔形顯微硬度計檢測試樣的硬度，加載時間為10s，載荷為980.7mN。通過型號為SS550的掃描電鏡觀察試樣界面微觀組織。

3、結果與討論

3.1熔覆層外觀質量

采用12種不同的工藝參數對TA2表面進行激光熔覆，為考察工藝的穩定性，每組工藝分別實施3次單層熔覆，結果如圖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，出現褶皺現象。這表明在低激光功率條件下，粉末可能未完全熔融，因此熔覆層出現褶皺。另外，在高功率條件下（1200W），當B4C粉末含量較低時（工藝3和工藝6），同一工藝下部分熔覆層表面呈現黃或藍色，出現了燒蝕現象，而B4C粉末不低于15%時（工藝9和工藝12），熔覆層表面光滑、均勻、平整，無褶皺或燒蝕等缺陷。激光功率為1050W，當B4C粉末含量不高于10%時（工藝2和工藝5），試件的熔覆層表面出現褶皺，當粉末含量不低于15%時（工藝8和工藝11），熔覆層表面光滑均勻。因此，從熔覆層外觀來看，工藝8、工藝9、工藝11和工藝12條件下熔覆層表面質量良好。為進一步評估熔覆層與基體的結合情況及其硬度變化，對試樣剖面進行微觀組織和硬度檢測。

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合良好，無孔洞、裂紋及分層等缺陷，且熔覆層致密均勻，無孔洞等缺陷。

此時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，且與基層結合良好（見圖2b）。但是增加B4C粉的含量至20%時（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，熔覆層與基層之間出現了連續的過渡層（圖中虛線區域），厚度約80μm，同時熔覆層存在明顯的裂紋。而當功率提高至1200W，熔覆層均勻致密、無裂紋，但是此時熔覆層與基體之間仍存在連續的過渡層，且比工藝11條件下的過渡層厚，約為100μm。這些連續的過渡層可能是由于B4C粉含量過高導致[14-16]。這種過渡層一般硬度較低，極易降低熔覆層與基體結合質量[14,16-18]。為進一步觀察工藝8和9條件下試樣界面的結合狀態，對試樣進行SEM檢測，結果如圖3所示。從圖中可以看出，兩種工藝條件下試樣界面結合良好，無分層、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致的。

3.3顯微硬度檢測

為檢測激光熔覆后試樣的硬度變化情況，對四種工藝下的試件分別進行硬度檢測，結果如圖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區域的硬度在110～136HV范圍內，與原始TA2材料的硬度相似[19]。而在試樣的熔覆層一側，不同工藝下近界面區域硬度變化較大。工藝8條件下熔覆層側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，遠離界面處的硬度逐漸增加至1240HV，遠高于工藝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以內時，硬度在108～112HV范圍內，超過50μm后，硬度逐漸升高至1377HV。

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

4、結束語

采用激光熔覆技術在TA2表面制備了Ti+B4C熔覆層，對比不同工藝條件下試樣微觀組織與硬度，結果如下。

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

2）當B4C粉末含量為15%時，試件熔覆層與基體結合良好，熔覆層側硬度隨著與界面距離增加而升高，當功率為1200W時，硬度最高達到1240HV；當B4C含量為20%時，熔覆層與基層之間出現連續的過渡層，硬度檢測結果顯示該過渡層硬度較低，將影響熔覆層與基體的結合質量。因此采用激光熔覆技術在TA2表面制備高硬度熔覆層的最優工藝為：功率1200W，B4C含量為15%。

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通信作者：趙惠，教授，博士，主要研究方向為金屬復合材料成型工藝、金屬材料表面改性，E-mail：huier7921@126.com。

基金項目：西安石油大學省級大學生創新創業訓練計劃資助項目（S202310705143)；西安市科技計劃項目（24GXFW0073）。

（注，原文標題：鈦材表面激光熔覆層制備工藝研究）

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tag標簽:B₄C-Ti復合涂層,純鈦表面,激光熔覆,性能調控,工藝參數系統優化

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