發(fā)布日期：2023-1-1 8:48:36
前言
鈦合金具有比強(qiáng)度高、低溫性能好、生物兼容性優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、生物醫(yī)學(xué)和汽車等領(lǐng)域。但同時(shí)鈦合金受硬度低、耐磨性差、高溫易氧化以及生物活性低等缺點(diǎn)限制，難以適應(yīng)復(fù)雜的服役條件。目前急需解決的問(wèn)題是如何提高鈦合金表面硬度、耐磨性、高溫抗氧化性能以及生物活性，進(jìn)而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍［1-9］。為了充分發(fā)揮 鈦合金的優(yōu)勢(shì)，解決其硬度低、耐磨性差等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了鈦合金表面改性技術(shù)方面的研究工作，主要包括激光熔覆、微弧氧化、熱/冷噴涂、表面滲碳/氮等，其中激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛［10-11］。本文綜述了現(xiàn)階段鈦合金表面激光熔覆、微弧氧化和冷噴涂陶瓷涂層的研究現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了展望。
1、 激光熔覆技術(shù)
鈦合金激光熔覆表面改性技術(shù)經(jīng)歷了從激光表面淬火到激光表面重熔再到激光表面合金化以及激光熔覆的過(guò)程。激光熔覆技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)［12-14］：激光熔覆涂層與基材呈冶金結(jié)合，其結(jié)合力較強(qiáng)，而且較高的冷卻速率使涂層組織細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，進(jìn)一步強(qiáng)化了涂層質(zhì)量；可通過(guò)設(shè)計(jì)不同成分的熔覆材料得到不同性能的涂層；可在低熔點(diǎn)的金屬表面熔覆高熔點(diǎn)的合金；熔覆涂層的厚度可控，并可進(jìn)行選區(qū)熔覆等。
采用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備功能性熔覆層，通常采用自熔性合金粉末，包括Ni 基、Co基、Fe 基和金屬基陶瓷復(fù)合材料。激光熔覆通過(guò)引入或原位自生增強(qiáng)相或自潤(rùn)滑相改善基體表面性能，故相的種類、含量和分布等因素決定了涂層的性能。常用的涂層增強(qiáng)相為TiC、TiBx、TiN 和WC等硬質(zhì)陶瓷相［15-16］。
在激光熔覆陶瓷粉末過(guò)程中，陶瓷材料與鈦合金基材發(fā)生反應(yīng)生成新的陶瓷相來(lái)改善鈦合金的表面性能。覃鑫［17］等在鈦合金表面激光熔覆NiCrCoAlY+20%Cr3C2粉末制備耐摩擦磨損及高溫抗氧化的復(fù)合涂層。通過(guò)合理的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，獲得的熔覆區(qū)顯微組織結(jié)構(gòu)致密、成形良好、無(wú)氣孔和裂紋等組織缺陷，涂層內(nèi)部組織由樹(shù)枝晶、針狀晶以及樹(shù)枝晶的共晶組織組成（見(jiàn)圖1）；復(fù)合涂層的最高顯微硬度為1 344 HV（見(jiàn)圖2），約為鈦合金基體（350 HV）的3.8 倍，850 ℃具有較好的高溫抗氧化性能（見(jiàn)圖3）。
在激光熔覆過(guò)程中外加法的陶瓷材料的涂層與鈦合金基體結(jié)合力不高，容易開(kāi)裂，產(chǎn)生孔洞等問(wèn)題［18-19］。其主要原因首先是陶瓷顆粒與基體鈦合金的熱膨脹系數(shù)等物理性能相差較大，導(dǎo)致涂層存在較大的殘余應(yīng)力；其次從材料的鍵合方式角度分析，鈦合金鍵合方式為金屬鍵，而陶瓷材料的結(jié)合方式為共價(jià)鍵或離子鍵，鈦合金和陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)也不相同，因此鈦合金與陶瓷材料之間的相容性差。另外激光熔覆屬于快熱和快冷的過(guò)程，涂層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力超過(guò)涂層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)即開(kāi)裂。
安強(qiáng)［20］在TA15 鈦合金表面激光熔覆原位合成TiC 增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)涂層組織由平面晶、柱狀晶、樹(shù)枝晶和等軸晶組成；由XRD分析可知，涂層主要由β-Ti、Co3Ti、CrTi4和原位自生的TiC 物相組成，涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合；涂層的顯微硬度最高值為715 HV，約為TA15 基體顯微硬度的2.1 倍（見(jiàn)圖4）；涂層具有較好的抗磨性能，磨損機(jī)制為磨粒磨損。利用原位合成陶瓷材料的方法即通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成陶瓷涂層，增強(qiáng)相與基體結(jié)合界面干凈，結(jié)合力較大，不容易脫落。但是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程無(wú)法控制，會(huì)有有害雜質(zhì)的生成相［21］。所以原位自生法制備陶瓷涂層如何精確調(diào)控反應(yīng)過(guò)程，是未來(lái)研究的重點(diǎn)。
激光熔覆技術(shù)經(jīng)歷了從單層熔覆層，到多層熔覆層、復(fù)合熔覆層以及梯度涂層研究的發(fā)展過(guò)程，隨著技術(shù)的不斷研究改進(jìn)，出現(xiàn)了許多新型激光熔覆技術(shù)［22］，例如環(huán)形激光熔覆技術(shù)。該技術(shù)是一項(xiàng)利用中空環(huán)形的聚焦高能激光束和光內(nèi)輸送的熔覆材料同軸耦合作用于基體表面的典型材料沉積加工技術(shù)，具有掃描方向不受限、熔覆材料種類多、材料利用率高和熔覆過(guò)程可干預(yù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比，其在激光能量利用率、熔覆材料沉積率、光料耦合精度、熔覆過(guò)程穩(wěn)定性及熔覆層結(jié)合質(zhì)量等方面均有大幅提升，在激光金屬沉積領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿�，因此備受關(guān)注［23］。在鈦合金表面利用該方法制備熔覆層目前未見(jiàn)報(bào)道，學(xué)者可以開(kāi)展此方面的研究工作。
激光熔覆在鈦合金表面熔覆材料發(fā)展?jié)摿^大，但是目前沒(méi)有工業(yè)化生產(chǎn)，未來(lái)的發(fā)展主要在以下方面［10-11］：開(kāi)發(fā)寬域的新型陶瓷熔覆材料體系；涂層的形成過(guò)程、形成機(jī)制的調(diào)控；熔覆涂層的裂紋和缺陷的控制。
2 、微弧氧化技術(shù)
微弧氧化技術(shù)是在陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的表面改性技術(shù)。鈦合金微弧氧化（MAO）［24］是一種在鈦及鈦合金表面原位生長(zhǎng)成氧化物陶瓷膜，這種陶瓷膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可以提升鈦合金的抗磨損、耐腐蝕和絕緣性［25］。鈦及鈦合金微弧氧化是將Ti、Mg、Al 等金屬置于電解液中，在電源作用下基體表面產(chǎn)生放電出現(xiàn)高溫、高壓；在高溫高壓作用下基體表面熔化與游離離子相互作用，然后進(jìn)行氧化、融合，最后在金屬表面沉積成膜［26-30］。
李玉海［31］等通過(guò)微弧氧化方法分別向電解液中添加陶瓷顆粒SiC 和SiO2在TC4鈦合金表面制備復(fù)合陶瓷膜。氧化膜表面孔洞微小，膜層致密性較高，陶瓷膜組織主要有α-SiC 和β-SiC 相，SiO2顆粒的添加使得膜層摩擦系數(shù)波動(dòng)平穩(wěn)且波動(dòng)范圍僅在0.15~0.2。相同實(shí)驗(yàn)條件下添加SiC 顆粒的陶瓷膜耐磨性比未添加陶瓷顆粒的耐磨性提高75%，而含有SiO2顆粒的膜層相對(duì)基體提高130%。在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，添加SiC 顆粒的陶瓷膜表面僅有輕微犁溝痕跡，含有SiO2的膜層表面磨損最輕微，只出現(xiàn)粘著磨損的痕跡，膜層耐磨性能均得到提升。
解念鎖［32］等在Na2SiO3、Na3PO4電解液中對(duì)TC4表面進(jìn)行微弧氧化制備抗氧化膜層。微弧氧化膜層的SEM 形貌細(xì)小、均勻、多孔，主要由Al2SiO5和Al2TiO5組成，在750 ℃循環(huán)氧化100 h 后，經(jīng)300 V電壓微弧氧化60 min 的TC4 鈦合金的氧化增重為7.8 mg/cm2，而未經(jīng)微弧氧化處理的TC4 鈦合金氧化增重為30.51 mg/cm2。并且隨著微弧氧化時(shí)間的增加和電壓的增大，微弧氧化TC4鈦合金的高溫抗氧化性能也有所增強(qiáng)。
楊澤慧［33］等人在TC4 合金表面微弧氧化原位自生自潤(rùn)滑MoS2/TiO2膜層（見(jiàn)圖5），討論了原位反應(yīng)中Na2S 添加量對(duì)膜層微觀結(jié)構(gòu)及耐磨性能的影響。通過(guò)控制Na2S 濃度可實(shí)現(xiàn)原位生成小尺寸MoS2顆粒，且其含量和形態(tài)可控，原位自生MoS2膜層的耐磨性較傳統(tǒng)微弧氧化膜層或直接添加MoS2顆粒所得膜層分別提高了395.4%、129.4%；膜基結(jié)
合力較傳統(tǒng)微弧氧化提高了約87%，達(dá)到723.8 N，說(shuō)明原位自生微弧氧化在保證良好的自潤(rùn)滑效果的同時(shí)改善了膜基結(jié)合力。
微弧氧化技術(shù)的研究已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程，從交流微弧氧化技術(shù)到現(xiàn)在較為熱門的激光復(fù)合微弧氧化技術(shù)［34］。Wang 等［35］將TC4鈦合金進(jìn)行激光表面重熔、微弧氧化處理，得到多孔生物陶瓷涂層。通過(guò)激光表面重熔預(yù)處理降低基材的表面粗糙度，提高微弧氧化涂層的均勻性和密度，同時(shí)減少厚度，與未處理的樣品相比具有最佳的耐腐蝕性，表面粗糙度最低，孔隙率較低。
鈦合金微弧氧化也存在急需解決的技術(shù)問(wèn)題：
（1）單位面積耗能較大；（2）氧化膜的膜基結(jié)合問(wèn)題；（3）膜層多孔問(wèn)題，影響基材的耐蝕性。
3 、噴涂
噴涂技術(shù)是在不改變基體其他性能的條件下，通過(guò)某種熱源或者動(dòng)力源將材料形成高速粒子流，噴向基體上不斷沉積形成具有一定功能的涂層［36］，其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)便、應(yīng)用范圍較廣［37-39］。近年來(lái)，研究人員在傳統(tǒng)噴涂技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂、反應(yīng)熱噴涂和冷噴涂等工藝［40-42］。
鈦合金的氧活性很高，傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)不適合制備鈦及鈦合金涂層；冷噴涂作為新興的噴涂技術(shù)由于制備溫度低、涂層沉積率較高、孔隙率低和結(jié)合強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，在鈦合金表面制備涂層具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［43-50］。因?yàn)槔鋰娡恐饕歉咚亠w行的粒子在撞擊基體時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)涂層沉積，對(duì)于金屬材料來(lái)講，面心立方金屬的Al、Cu等 滑移系較多，較易發(fā)生塑性變形，而對(duì)于密排六方金屬的Ti、Co等，滑移系統(tǒng)較少、塑性較差［51］。李文亞等［52］以空氣為噴涂氣體，在氣體溫度520 ℃、壓力2.8 MPa的條件下，制備了純鈦和鈦合金涂層，發(fā)現(xiàn)兩種涂層的孔隙率分別高達(dá)5.1% 和22.4%，而孔隙往往存在于有限變形的粒子之間，所以影響了涂層性能。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從噴涂參數(shù)、粉末狀態(tài)、噴嘴及基體等不同方面對(duì)冷噴涂鈦及鈦合金涂層進(jìn)行了組織調(diào)控。李海升［53］等在TC4 鈦合金表面冷噴涂制備CuNiIn 涂層，研究其組織結(jié)構(gòu)和微動(dòng)磨損性能，涂層的孔隙率僅為2.8%，最高硬度可達(dá)到300 HV，磨損機(jī)理為粘著磨損和磨粒磨損。李長(zhǎng)久等［54］分別采用N2和He兩種氣體作為噴涂氣體制備 了Ti 涂層，結(jié)果表明，用惰性氣體He制備的涂層其組織更加致密，主要原因是在He條件下粒子能獲得更大的速度，從而發(fā)生更充分的變形。Pelletier J L等［55］研究發(fā)現(xiàn)喂料速度和粉末流動(dòng)速度越高，涂層孔隙率越高，厚度越厚，其原因可能是低的喂料速度能夠減小后面粒子與先沉積涂層的撞擊角度，而粉末流動(dòng)速度會(huì)對(duì)噴嘴中的氣流產(chǎn)生影響。ZahiriS H等［56］研究了噴涂距離對(duì)Ti 涂層質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)噴涂距離主要影響粒子速度，噴涂距離增大，粒子速度減小，導(dǎo)致塑性變形小，隨著噴涂距離的增大，涂層孔隙率上升。殷碩等［57］研究了噴涂角度對(duì)冷噴涂Ti 粒子沉積行為的影響，認(rèn)為噴射角度為非垂直角度時(shí)，粒子與基體的結(jié)合會(huì)減弱（見(jiàn)圖6）。
綜合來(lái)看，對(duì)于鈦與鈦合金涂層而言，盡可能采用高的氣體溫度和壓力可以有效提高粒子速度，進(jìn)而制備出高質(zhì)量涂層。除了粉末材質(zhì)外，冷噴涂的粉末形狀對(duì)噴涂質(zhì)量也有影響。Wong W［58］等采用不規(guī)則形和球形兩種不同形狀的Ti 粉制備冷噴涂涂層，研究結(jié)果表明，粒子的粉末不規(guī)則，制備的涂層致密性較好，主要是不規(guī)則粒子的拖曳常數(shù)較高，在噴嘴出口處可獲得更高的粒子速度，所以與基體的結(jié)合力較好，而不規(guī)則粉末的流動(dòng)性不如球形粉，噴涂過(guò)程中容易氧化［59-61］。Cinca N［62］等研究認(rèn)為當(dāng)粒子分布較窄時(shí)，涂層的孔隙、厚度和硬度更為均勻。
除粉末材料和形態(tài)外，噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)冷噴涂涂層質(zhì)量也有明顯影響，圖7 為噴嘴優(yōu)化前后制備的Ti涂層，可以看出改善后涂層組織明顯致密［63］。李文亞［64］等通過(guò)改善噴嘴內(nèi)部形狀實(shí)現(xiàn)了在低壓下高的粒子溫度。MACDONALD D［65］改變噴嘴材質(zhì)，發(fā)現(xiàn)高熱導(dǎo)率的噴嘴可以降低粒子的臨界速度，從而實(shí)現(xiàn)更高的沉積效率。
冷噴涂中涂層與基體以及涂層內(nèi)部的機(jī)理主要是機(jī)械咬合和冶金結(jié)合，冶金結(jié)合的程度越高，結(jié)合強(qiáng)度越好，通過(guò)噴涂后熱處理可以進(jìn)一步提高其冶金結(jié)合程度。李文亞等［66］在850 ℃真空氣氛下將Ti 和Ti6A14V 涂層進(jìn)行退火4 h，發(fā)現(xiàn)退火過(guò)程中粒子之間的接觸界面通過(guò)原子擴(kuò)散和晶界遷移發(fā)生了冶金結(jié)合，但涂層的孔隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，熱處理后兩種涂層的孔隙率均有所增加。
周紅霞［51］研究了Ti6A14V 涂層在后續(xù)熱處理過(guò)程中孔隙的演變規(guī)律，結(jié)果表明，在局部熱處理溫度下涂層的孔隙率有所增加，原因是噴涂層熱處理過(guò)程中殘余應(yīng)力得以釋放，部分弱結(jié)合和未結(jié)合的粒子界面相互脫離引起的。
目前，噴涂對(duì)鈦合金涂層研究相對(duì)較少，多數(shù)為噴涂Ti 涂層。對(duì)噴涂工藝研究較多，對(duì)涂層形成過(guò)程、粒子內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)研究較少。由于噴涂涂層與基體的結(jié)合力較弱，所以應(yīng)用受到限制，噴涂后的熱處理是提高其結(jié)合力的有效途徑。對(duì)于冷噴涂技術(shù)與其他技術(shù)如激光熔覆、攪拌摩擦焊等的融合是未來(lái)的研究趨勢(shì)。
4、 結(jié)論及展望
（1）激光表面改進(jìn)技術(shù)在鈦合金表面可以通過(guò)有限元軟件和數(shù)學(xué)建模模擬熔覆過(guò)程，或者結(jié)合超聲波輔助激光熔覆等方式，研發(fā)寬域的新型陶瓷熔覆材料體系、功能梯度涂層等以減少裂紋等缺陷。
（2）對(duì)于鈦合金微弧氧化技術(shù)，能源消耗巨大、膜層易脫落和膜層多孔現(xiàn)象是急需解決的問(wèn)題，需要通過(guò)進(jìn)一步研究以提高鈦合金微弧氧化膜層的性能。
（3）冷噴涂技術(shù)與其他技術(shù)如激光熔覆、攪拌摩擦焊等的融合是未來(lái)的研究方向。在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展背景下，鈦及鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，對(duì)鈦合金表面性能的要求越來(lái)越高，隨著這些使用條件的變化鈦合金表面改性技術(shù)也必將日臻完善。
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