引言

鈦合金是以鈦元素為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，因具有質(zhì)量輕以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作輕質(zhì)高強(qiáng)零部件。 目前，世界上已研制出數(shù)百種鈦合金，我國(guó)已研制的鈦合金有 70 多種 [1] 。 在新型鈦合金研究方面，我國(guó)水平與國(guó)外相當(dāng)，但在傳統(tǒng)合金如 TC4 合金挖潛方面，我國(guó)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。

TC4 合金屬于（α＋β）雙相合金，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁、相容性好等優(yōu)點(diǎn)。 該合金自 1954 年被美國(guó)研制成功后，就憑借其良好的綜合力學(xué)性能成為鈦合金工業(yè)中的王牌 [2] ，也是我國(guó)航空領(lǐng)域最先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的鈦合金。 隨著 TC4 合金鑄件質(zhì)量的不斷提高，其被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)構(gòu)件，如波音飛機(jī)上吊裝 CF6-80 發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝吊架采用了 TC4 合金精鑄件，超大型寬體空客 A380 飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)掛架選用了 β 退火的 TC4 合金，大飛機(jī) F／ A-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上的側(cè)機(jī)身接頭、V-22 傾轉(zhuǎn)式旋翼機(jī)上的轉(zhuǎn)接座等都使用了TC4 合金精鑄件。 但是 TC4 合金摩擦系數(shù)高、硬度低的缺點(diǎn)會(huì)使零部件在服役過(guò)程中磨損，導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)、報(bào)廢，產(chǎn)生直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失，這限制了其應(yīng)用與推廣。

激光熔覆是改善 TC4 合金表面性能的先進(jìn)改性技術(shù)，通過(guò)預(yù)置涂層或同步送粉的方式在 TC4 基體表面加入熔覆材料，再利用高能密度的激光束加熱，使熔覆材料和基材表面薄層迅速熔化，然后凝固形成具有特定性能的改性層 [3] 。 研究者發(fā)現(xiàn)，熔覆材料直接決定熔覆層的服役性能 [4] ，因此學(xué)者們對(duì)激光熔覆材料進(jìn)行了大量的研究。 本文根據(jù)材料成

分構(gòu)成將激光熔覆材料分為金屬及金屬合金粉末、陶瓷粉末、納米陶瓷粉末、金屬-陶瓷復(fù)合粉末及其他粉末，并介紹了各類粉末的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。

1、金屬及金屬合金粉末

金屬及其合金具有極高的硬度，但是不耐高溫，適合在400～900 ℃下使用。 在金屬合金粉末中，關(guān)于自熔性合金粉末的研究與應(yīng)用最多。 自熔性合金粉末是指加入具有強(qiáng)烈 脫氧作用元素的合金粉末，如 Ni 基自熔性合金粉末、Fe 基自熔性合金粉末。

黃果等 [5] 在 TC4 合金表面激光熔覆純 Fe 粉，發(fā)現(xiàn)熔覆層中主要含有 BCC、HCP、LAVES 等物相，HCP 相主要為TiO、Fe 2 C、V 5 Al 3 C 0.6 ，LAVES 相為 FeTi 2 和 Fe （Ti， Al） 2 ，BCC相主要為 Fe 和 Ti；TiO、Fe 2 C、V 5 Al 3 C 0.6 等相彌散分布在激光熔覆層中，提高了熔覆層的硬度。 余鵬程等 [6] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 NiCrBSiFe 合金粉末，生成了以 γ-（Ni， Cr， Fe）為基體，以 TiC、TiB 2 和 CrB 為增強(qiáng)相的涂層。 該涂層的平均硬度為 950HV 0.5 ，約為鈦合金基體的 3 倍，且其在室溫下的摩擦系數(shù)和磨損量均低于高溫下。 許瑞華等 [7] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 NiCoCrAlY 自熔性合金粉末，并研究了掃描速度對(duì) TC4 合金組織及硬度的影響。 結(jié)果表明，熔覆層氣孔率和裂紋率均隨著掃描速度的增加而增大，但合金組織逐漸得到細(xì)化，由枝狀晶變成胞狀晶，熔覆層硬度也得到提高。

2、陶瓷粉末及納米陶瓷粉末

陶瓷材料具有高硬度、高熔點(diǎn)、低韌性等特點(diǎn)，在激光熔覆過(guò)程中可以作為增強(qiáng)相使用，根據(jù)陶瓷材料的化學(xué)成分可以將其分為氧化物粉末、碳化物粉末、硼化物粉末、氮化物粉 末等，其常被用于制備高溫耐磨、耐腐蝕涂層和熱障涂層 [8] 。張松等 [9] 在 TC4 基體表面激光熔覆了 Cr 3 C 2 和 Ti 混合粉末，制備出原位自生 TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)，原位生成的微米級(jí)的 TiC 顆粒彌散分布在熔覆層中，為獲得均質(zhì)的熔覆層提供了可靠的保證。 王培等 [10] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 h-BN 陶瓷粉末，制備出自潤(rùn)滑涂層。 結(jié)果表明：熔覆層表面平整，生成了 TiN、TiB、TiB 2 等硬質(zhì)相，且熔覆層與基體呈冶金結(jié)合；適當(dāng)增加潤(rùn)滑相 h-BN 含量可以改善熔覆層潤(rùn)滑性能，降低熔覆層的摩擦系數(shù)。

由于陶瓷粉末的熱膨脹系數(shù)與 TC4 基體相差較大，在激光熔覆過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋、空洞等缺陷，因此有學(xué)者嘗試在TC4 基體表面激光熔覆納米陶瓷來(lái)降低其裂紋率。 納米陶瓷是指晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都處在納米水平（1～10 2 nm）的陶瓷材料 [11] ，極小的粒徑、高濃度晶界和晶界原子以及尺寸效應(yīng)可有效緩解界面應(yīng)力集中，減少熔覆層中的裂紋、氣孔等缺陷，賦予熔覆層良好的力學(xué)性能 [12] 。 王宏宇等 [13] 在 TC4 合金表面激光熔覆鎳基合金粉末與納米氧化鈰混合粉末制備鎳基復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)，添加納米氧化鈰后熔覆層的物相組成沒(méi)有發(fā)生變化，樹(shù)枝晶 β-Ti變短、變小，胞狀晶 Ni 3 （Al， Ti）分布更加均勻，裂紋和空洞等缺陷消失，這表明納米氧化鈰的加入可改善熔覆層與基體的結(jié)合性能。 劉丹等 [14] 采用 CO 2 激光器在 TC4 基體表面熔覆納米 TiC、微米 TiB 2 與 Ni 的混合粉末制備出陶瓷復(fù)合涂層，熔覆層無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，硬度高達(dá) 863HV 0.2 ，磨損量?jī)H為基體的 3.5％，耐磨性顯著提高。 Li 等 [15] 在 TC4 合金表面激光熔覆了納米 Y 2 O 3 和 CeO 2 ，制備出 CaO-SiO 2 激光熔覆涂層。 結(jié)果表明，Y 2 O 3 和 CeO 2 稀土顆粒可以細(xì)化熔覆層組織，改善基體性能。

3、金屬-陶瓷復(fù)合粉末

由于單一材料（如金屬及合金、陶瓷材料）的性能無(wú)法滿足新技術(shù)發(fā)展的要求，因此許多學(xué)者將注意力集中在復(fù)合材料的研究上。 金屬陶瓷復(fù)合材料是復(fù)合材料的典型代表之一，其性能取決于所選用金屬和增強(qiáng)物的特性、含量、分布以及界面狀態(tài)。 借助激光熔覆技術(shù)可將金屬的強(qiáng)韌性和陶瓷材料的耐磨、耐高溫性結(jié)合起來(lái)，以滿足實(shí)際工作生產(chǎn)中對(duì) 強(qiáng)度、韌性、耐磨、耐蝕等性能的要求，是目前激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 金屬陶瓷復(fù)合材料中金屬占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 60％以上，因此復(fù)合材料仍保持金屬特有的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，而良好的導(dǎo)熱性可以有效減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度，防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集，其通常被應(yīng)用于對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求高的構(gòu)件中。 目前研究的金屬陶瓷復(fù)合粉末主 要分為鈦基陶瓷復(fù)合粉末、鎳基陶瓷復(fù)合粉末、鈷基陶瓷復(fù)合粉末、TiAl 基陶瓷復(fù)合粉末。

3.1　鈦基陶瓷復(fù)合粉末

Ti 基復(fù)合材料是指鈦基合金粉末與陶瓷粉末的混合粉末，采用該粉末制備的熔覆層具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好的特點(diǎn)。 因此，Ti 基復(fù)合材料已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭結(jié)構(gòu)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料。

Kooi 等 [16] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti 與 TiB 2 混合粉末，成功制備了 Ti-TiB 鈦基復(fù)合涂層，熔覆層中的 TiB 呈細(xì)針狀、板條狀和粗針狀三種形態(tài)，且所有的 TiB 均由穩(wěn)態(tài)

B27 和亞穩(wěn)態(tài) Bf 組成。 Kooi 等還揭示了 TiB 在快速生長(zhǎng)條件下的三種組織形態(tài)及演變機(jī)理。 武萬(wàn)良等 [17] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti＋TiC 粉末，并分析了鈦基復(fù)合涂層的制備過(guò)程、質(zhì)量、工藝性、制造成本及增強(qiáng)效果等，證實(shí)了激光熔覆 Ti＋TiC 復(fù)合粉末制備 TiC／ Ti 復(fù)合材料具有可行性。 孫榮祿等 [18] 用 CO 2 激光器在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti＋TiC 金屬陶瓷涂層，對(duì)熔覆層的微觀組織和干滑動(dòng)摩擦性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，TiC 顆粒部分溶解，涂層顯微硬度在 900～ 1 100HV之間，質(zhì)量磨損率為 TC4 基體的 1／3。

相對(duì)于外加增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，原位增強(qiáng)的 Ti 基復(fù)合材料因良好的界面結(jié)合狀態(tài)而具有更好的疲勞性能和斷裂韌性。 楊光等 [19] 以 Ti 和 Cr 3 C 2 混合粉末為成形材料，采用 CO2 激光器在 TC4 合金表面進(jìn)行激光快速成形制備原位自生 TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層。 研究發(fā)現(xiàn)：在室溫干摩擦條件下，熔覆層與基體磨損體積比為 1／46.6，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主；在 500 ℃ 高溫干摩擦條件下，熔覆層與基體的磨損體積比為 1／2.8，摩擦系數(shù)大幅下降。

3.2　鎳基陶瓷復(fù)合粉末

鎳基陶瓷復(fù)合粉末是指鎳基合金與陶瓷的混合粉末，采用該粉末制備的熔覆層具有良好的韌性、耐沖擊性、耐蝕性、耐熱性及潤(rùn)濕性，且價(jià)格適中。 這使其成為激光熔覆材料中 研究最多、應(yīng)用范圍最廣的粉末。

秀世杰等 [20] 在 TC4 基體表面激光熔覆 Ni60＋10％h-BN粉末制備鎳基陶瓷復(fù)合涂層，并研究時(shí)效處理對(duì)熔覆層性能及組織的影響。 研究發(fā)現(xiàn)，高溫時(shí)效處理前后熔覆層的物相組成基本不變，平均顯微硬度由 1 162HV 0.2 降為 910HV 0.2 ，摩擦系數(shù)由 0.225 升高到 0.375，但較于基體仍有較好的耐磨減摩性，說(shuō)明鎳基陶瓷復(fù)合涂層具有良好的高溫穩(wěn)定性。 孟祥軍等 [21] 在 Ni80Cr20-Cr 3 C 2 金屬陶瓷粉末中添加 20％CaF 2 ，并將其熔覆在 TC4 合金上制備鎳基復(fù)合涂層，由于陶瓷相與潤(rùn)滑相的存在，熔覆層的硬度較基體提高了 3～4 倍，摩擦系數(shù)降低為 0.21，在高溫 600 ℃的條件下仍表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫自潤(rùn)滑性能。 孫榮祿等 [22] 以 Ni 基合金粉末和 TiN 為熔覆粉末，采用激光熔覆技術(shù)在 TC4 合金表面制備了 TiN 顆粒增強(qiáng)Ni 基復(fù)合涂層，基體上均勻分布著針狀 M 23 C 6 相和 TiN 顆粒，熔覆層顯微硬度在 10 000 MPa 左右，熔覆層中顆粒強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等的相互作用大幅提高了 TC4 合金的耐磨性能。

范紅梅等 [23] 以金屬陶瓷 NiCr-Cr 3 C 2 和自潤(rùn)滑顆粒 CaF 2 復(fù)合粉末為熔覆材料，采用激光熔覆技術(shù)在 TC4 合金表面制備出自潤(rùn)滑復(fù)合涂層，該涂層的平均硬度為 1 150HV 0.3 ，摩擦系數(shù)和磨損率顯著低于基體，表明涂層具有較好的耐磨性。

3.3　鈷基陶瓷復(fù)合粉末

鈷基陶瓷復(fù)合粉末是鈷基合金與陶瓷的混合粉末，采用該粉末制備的涂層具有良好的耐高溫性、耐熱震性、耐腐蝕性和耐磨損性，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等領(lǐng)域。 鈷基合 金粉末雖然具有良好的綜合性能，但較高的價(jià)格限制了其應(yīng)用范圍。

李春燕等 [24] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Co-WC 混合粉末制備鈷基陶瓷復(fù)合涂層，當(dāng) WC 添加量為 15％～45％時(shí)，熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層硬度隨著 WC 含量的增加逐漸增大，最高可達(dá) 29.54HRC，是基體硬度的 2～3 倍；當(dāng) WC 含量超過(guò) 45％時(shí)，熔覆層硬度反而逐漸降低，且熔覆層內(nèi)出現(xiàn)裂紋等缺陷。 方正極等 [25] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Co 基合金粉與 TiB 混合粉末，熔覆層中生成了以 γ-Co 為主要基體的多種增強(qiáng)相，TiC、Co 4 B 等增強(qiáng)相均勻分布在熔覆層中，提高了熔覆層的硬度（硬度最高可達(dá) 1 003HV）。 同時(shí)，增強(qiáng)相在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中承受了大部分的作用力，降低了熔覆層的摩擦系數(shù)，使熔覆層的耐磨性顯著提高。 劉銘坤等 [26] 通過(guò)在 TC4 基體表面激光熔覆 Co 基合金粉、Ti粉、活性炭制備了鈷基復(fù)合涂層，TiC（硬度高、耐磨性好，能夠阻礙組織中的位錯(cuò)移動(dòng)，在熔覆層中起到抗磨的作用）、β-Ti 與 Ti 2 Co 均勻分布于涂層中，熔覆層顯微硬度約 650HV；在49～147 N 載荷下，熔覆層具有優(yōu)異的室溫干滑動(dòng)摩擦磨損性能。

3.4　TiAl 基陶瓷復(fù)合粉末

相比于傳統(tǒng)鈦合金，TiAl（Al 占 43％ ～48％）合金質(zhì)量輕且耐高溫性更好，對(duì)航空航天部件的減重意義重大。 但 TiAl合金脆性較大（Al 含量較多導(dǎo)致），限制了其廣泛應(yīng)用。

李嘉寧等 [27] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Ti 3 Al＋TiB 2 混合粉末制備出 Ti 3 Al 基陶瓷復(fù)合涂層，當(dāng) TiB 2 陶瓷粉末添加量低于 50％時(shí)，熔覆層組織的細(xì)化程度、硬度及耐磨性與 TiB 2添加量成正比；當(dāng) TiB 2 添加量高于 50％時(shí)，涂層脆性增大，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致其耐磨性下降。 Liu 等 [28] 在TC4 合金表面制備了 TiN／ Ti 3 Al 金屬間化合物復(fù)合熔覆涂層，發(fā)現(xiàn) TiN 初生相和 Ti 3 Al 均勻分布在熔覆層中，熔覆層顯微硬度可達(dá) 844HV 0.2 。

4、其他粉末

為強(qiáng)化熔覆層性能，研究者發(fā)現(xiàn)在上述熔覆粉末中添加少量具有特定性能的其他粉末可以顯著改善熔覆層性能。添加的粉末根據(jù)其功能不同可以分為稀土及其氧化物粉末、固體潤(rùn)滑劑粉末、包覆型粉末。

4.1　稀土及其氧化物粉末

目前，研究較多的是 Ce、La、Y 等稀土元素及其氧化物CeO 2 、La 2 O 3 、Y 2 O 3 。 這些稀土元素易與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的化合物，在激光熔凝過(guò)程中可以作為結(jié)晶的外來(lái)核心，增加形核率，細(xì)化枝晶組織，使熔覆層組織變得均勻且致密，提高熔覆層性能；同時(shí)在熔覆層中還起到凈化熔池、減少熔覆層缺陷的作用。何星華等 [29] 選用合適的激光熔覆參數(shù)在 TC4 合金表面激光熔覆了鎳粉和氧化鑭混合粉末，制備出鎳基復(fù)合涂層。

研究發(fā)現(xiàn)：La 2 O 3 不僅使涂層更加均勻致密，還改變了涂層的物相組成；添加 La 2 O 3 的鎳基復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)（0.41）低于未添加 La 2 O 3 的鎳基復(fù)合涂層（0.52）。 馬永等 [30] 在 TC4合金表面激光熔覆 TiB 2 、TiC 和 Y 2 O 3 稀土氧化物混合粉末制備鈦基陶瓷復(fù)合涂層，當(dāng)添加 4％的 Y 2 O 3 時(shí)，熔覆層形核率顯著提高，枝晶間空隙減少，熔覆層中部組織明顯細(xì)化，熔覆層硬度高達(dá) 1 404.6HV 0.2 （較基體硬度有了明顯提高），摩擦系數(shù)明顯降低，耐磨性顯著提高。 朱快樂(lè)等 [31] 采用激光熔覆技術(shù)在 TC4 基體表面原位反應(yīng)合成 La 2 O 3 -TiB 增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層，當(dāng) La 2 O 3 添加量為 3％時(shí)，熔覆層中的增強(qiáng)相 TiB 較為細(xì)小且分布均勻，熔覆層硬度約為 1 300HV；添加不同質(zhì)量分 數(shù) La 2 O 3 的熔覆層均與基體結(jié)合良好。

4.2　固體潤(rùn)滑劑粉末

固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能主要依靠其在 TC4 基體表面形成的低剪切力轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，該膜使熔覆層具備自潤(rùn)滑能力。

固體潤(rùn)滑劑是很好的潤(rùn)滑材料，具有超低蒸氣壓的特性，在真空條件下不易揮發(fā)，是比較理想的真空潤(rùn)滑材料 [32] 。 常用的固體潤(rùn)滑劑有硫化物、石墨等。

高秋實(shí)等 [33] 通過(guò) IPG YLS-5000 光纖激光器在 TC4 基體表面激光熔覆了 Ni60、TiN 和 MoS 2 混合粉末，制備出含有TiN、TiMo、TiNi 增強(qiáng)相及 MoS 2 、TiS 潤(rùn)滑相的鎳基復(fù)合涂層。

復(fù)合涂層的硬度最高可達(dá) 1 137.1HV 0.3 ，摩擦系數(shù)為0.319 9，較 TC4 基體均有了較大提高。 為拓寬 TC4 合金表面耐磨自潤(rùn)滑復(fù)合涂層的研究領(lǐng)域，羅健等 [34] 在 TC4 合金表面激光熔覆了四種不同 WS 2 含量的 NiCr／ Cr 3 C 2 -WS 2 層，并研究了WS 2 含量對(duì)鈦合金表面激光熔覆層組織及性能的影響。 結(jié)果表明，WS 2 固體自潤(rùn)滑劑改善了熔覆層的摩擦學(xué)性能，WS 2添加量為 30％的熔覆層摩擦學(xué)性能最佳。 石皋蓮等 [35] 以NiCr／ Cr 3 C 2 和 WS 2 混合粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)在TC4 合金表面分別制備了 γ-NiCrAlTi／ TiC、γ-NiCrAlTi／ TiC＋TiWC 2 ／ CrS ＋Ti 2 CS 高溫耐磨自潤(rùn)滑復(fù)合涂層。 研究發(fā)現(xiàn)，γ-NiCrAlTi／ TiC 和 γ-NiCrAlTi／ TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)溫度下均遠(yuǎn)低于 TC4 基體，γ-NiCrAlTi／TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 則表現(xiàn)出良好的高溫自潤(rùn)滑減摩性能。

4.3　包覆型粉末

陶瓷粉末及固體潤(rùn)滑劑在高能激光的作用下易氧化分解和上浮飛濺，通過(guò) Ni 包覆層的保護(hù)作用可以避免固體潤(rùn)滑劑和陶瓷粉末在激光熔覆過(guò)程中與激光發(fā)生直接反應(yīng)而被分解，從而最大限度地保留在熔覆層中，提高熔覆層的摩擦學(xué)性能。

林熙等 [36] 以 TC4＋20％Ni／ B 4 C 為熔覆粉末在 TC4 基體表面制備了鈦基復(fù)合涂層，TiC、TiB、TiB 2 和 Ti 2 N 等陶瓷相均勻分布在涂層中，且在涂層中檢測(cè)出未熔的 B 4 C 顆粒。 涂層的平均硬度最高為 851HV 0.3 ，較基材提升了 2～3 倍，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在 0.74～0.78。 孫榮祿等 [37] 采用激光熔覆技術(shù)在 TC4合金表面制備了 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 復(fù)合涂層，經(jīng)過(guò)原子氧輻照后，復(fù)合涂層材料性能未發(fā)生明顯改變，在真空與大氣兩種環(huán)境下仍具有良好的減摩效果，表明 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 復(fù)合涂層具有一定的抗原子氧輻照能力。

5、存在的問(wèn)題及解決方案

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)改善 TC4 合金表面硬度、耐磨性、抗高溫氧化性等進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的成果。 但是很少有學(xué)者關(guān)注如何改善熔覆層裂紋問(wèn)題，而熔覆層的應(yīng)用范圍受 限歸根結(jié)底是裂紋的問(wèn)題未得到有效解決。

在 TC4 合金表面進(jìn)行單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光熔覆層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，不易出現(xiàn)裂紋，在該熔覆層基礎(chǔ)上進(jìn)行搭接熔覆時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)相互疊加，當(dāng)此殘余應(yīng)力超過(guò) 熔覆層的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)裂紋 [38] 。 圖 1 為金屬-陶瓷熔覆層中產(chǎn)生的裂紋及局部放大圖。 在實(shí)際生產(chǎn)中，多是使用多道搭接的熔覆層，如修復(fù)大面積的零件表面或者進(jìn)行表面涂覆，因此改善熔覆層的裂紋問(wèn)題具有重要的意義。

熔覆層中產(chǎn)生裂紋的原因較為復(fù)雜。 學(xué)者在考察熔覆材料、激光工藝參數(shù)、工藝處理?xiàng)l件和基體等因素對(duì)激光熔覆層裂紋率的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)熔覆材料的影響排在首位 [39] 。 熔 覆材料導(dǎo)致裂紋的原因及解決方案如下：

（1）熔覆材料與基體的熱膨脹系數(shù)差異容易引起裂紋。

通常陶瓷的熱膨脹系數(shù)小于金屬，在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷材料時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn) [40] 可知溫度梯度與熱膨脹系數(shù)的差異是產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因。 在選擇熔覆材料時(shí)應(yīng)遵循熔覆材料與基體的熱膨脹系數(shù)相近原則，尤其是在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷粉末時(shí)，在保證所要達(dá)到的性能同時(shí)應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)與 TC4 基體接近的陶瓷材料，如 SiO 2 、TiO 2 和ZrO 2 ，以減小由熱膨脹系數(shù)差異所造成的殘余應(yīng)力 [41] 。 預(yù)熱基體也可以降低溫度梯度，減緩熔覆層的冷卻速度，降低裂紋率 [42] 。 根據(jù) Wu [43] 的研究可知，適當(dāng)控制熔覆層中陶瓷相的含量也可以降低裂紋率。

（2）由于激光熔覆的急冷急熱作用，在熔覆層中易生成硬質(zhì)相及夾雜物等裂紋源，隨著溫度的不斷降低，應(yīng)力增大，裂紋源會(huì)沿著枝晶擴(kuò)展形成裂紋。 近年來(lái)興起的原位反應(yīng) 自生陶瓷相技術(shù)在以陶瓷相為增強(qiáng)相的同時(shí)又避免了其成為裂紋源，如原位自生 TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用激光重熔處理也有一定的效果，即在熔覆后的熔覆 層上再熔覆一次，有利于排除由第一次激光熔覆產(chǎn)生的雜質(zhì)，消除裂紋源 [44] 。

（3）當(dāng)熔覆層中的脆性大于韌性時(shí)，容易在熔覆層中引起裂紋。 在配制激光熔覆粉末時(shí)加入適量的稀土元素可以細(xì)化熔覆層組織，改善其韌性，降低裂紋率。 在熔覆粉末中 添加能夠在熔覆層中原位生成韌性相的粉末也可以提高其韌性，降低裂紋率 [45] 。 對(duì)熔覆后的試樣進(jìn)行熱處理釋放工件中的殘余應(yīng)力也可以提高材料的強(qiáng)韌性，減少開(kāi)裂的傾向。

6、結(jié)語(yǔ)

隨著材料科學(xué)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)航空航天工業(yè)對(duì)材料提出了更高的要求，如高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等。 TC4 合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在航空航天領(lǐng)域受 到特別關(guān)注，但其硬度低、耐磨性差，尚無(wú)法滿足我國(guó)對(duì)新材料的要求。 目前，我國(guó)科研人員對(duì) TC4 合金表面激光熔覆材料進(jìn)行了大量研究，以期改善 TC4 合金的性能，盡管仍有一些問(wèn)題需要改進(jìn)，尤其是熔覆層的開(kāi)裂問(wèn)題，但是可以預(yù)見(jiàn)，隨著眾多學(xué)者的加入及國(guó)家相關(guān)政策的扶持，TC4 合金的潛能將被逐漸挖掘并將被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

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