引言

鈦合金是以鈦元素為基礎加入其他元素組成的合金，因具有質量輕以及耐高溫等優點，可用于制作輕質高強零部件。 目前，世界上已研制出數百種鈦合金，我國已研制的鈦合金有 70 多種 [1] 。 在新型鈦合金研究方面，我國水平與國外相當，但在傳統合金如 TC4 合金挖潛方面，我國遠落后于國外。

TC4 合金屬于（α＋β）雙相合金，具有密度小、比強度高、耐高溫、耐腐蝕、無磁、相容性好等優點。 該合金自 1954 年被美國研制成功后，就憑借其良好的綜合力學性能成為鈦合金工業中的王牌 [2] ，也是我國航空領域最先實現應用的鈦合金。 隨著 TC4 合金鑄件質量的不斷提高，其被廣泛應用于飛機構件，如波音飛機上吊裝 CF6-80 發動機的安裝吊架采用了 TC4 合金精鑄件，超大型寬體空客 A380 飛機上的發動機掛架選用了 β 退火的 TC4 合金，大飛機 F／ A-22 戰斗機機翼上的側機身接頭、V-22 傾轉式旋翼機上的轉接座等都使用了TC4 合金精鑄件。 但是 TC4 合金摩擦系數高、硬度低的缺點會使零部件在服役過程中磨損，導致設備停產、報廢，產生直接或間接的經濟損失，這限制了其應用與推廣。

激光熔覆是改善 TC4 合金表面性能的先進改性技術，通過預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] 。 研究者發現，熔覆材料直接決定熔覆層的服役性能 [4] ，因此學者們對激光熔覆材料進行了大量的研究。 本文根據材料成

分構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-陶瓷復合粉末及其他粉末，并介紹了各類粉末的優缺點和應用場合。

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，關于自熔性合金粉末的研究與應用最多。 自熔性合金粉末是指加入具有強烈 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，發現熔覆層中主要含有 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 TC4 合金組織及硬度的影響。 結果表明，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、低韌性等特點，在激光熔覆過程中可以作為增強相使用，根據陶瓷材料的化學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 顆粒增強鈦基復合涂層，研究發現，原位生成的微米級的 TiC 顆粒彌散分布在熔覆層中，為獲得均質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，制備出自潤滑涂層。 結果表明：熔覆層表面平整，生成了 TiN、TiB、TiB 2 等硬質相，且熔覆層與基體呈冶金結合；適當增加潤滑相 h-BN 含量可以改善熔覆層潤滑性能，降低熔覆層的摩擦系數。

由于陶瓷粉末的熱膨脹系數與 TC4 基體相差較大，在激光熔覆過程中易出現裂紋、空洞等缺陷，因此有學者嘗試在TC4 基體表面激光熔覆納米陶瓷來降低其裂紋率。 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可有效緩解界面應力集中，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合涂層，研究發現，添加納米氧化鈰后熔覆層的物相組成沒有發生變化，樹枝晶 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合涂層，熔覆層無氣孔、裂紋等缺陷，硬度高達 863HV 0.2 ，磨損量僅為基體的 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。 結果表明，Y 2 O 3 和 CeO 2 稀土顆粒可以細化熔覆層組織，改善基體性能。

3、金屬-陶瓷復合粉末

由于單一材料（如金屬及合金、陶瓷材料）的性能無法滿足新技術發展的要求，因此許多學者將注意力集中在復合材料的研究上。 金屬陶瓷復合材料是復合材料的典型代表之一，其性能取決于所選用金屬和增強物的特性、含量、分布以及界面狀態。 借助激光熔覆技術可將金屬的強韌性和陶瓷材料的耐磨、耐高溫性結合起來，以滿足實際工作生產中對 強度、韌性、耐磨、耐蝕等性能的要求，是目前激光熔覆技術領域的研究熱點。 金屬陶瓷復合材料中金屬占總質量分數的 60％以上，因此復合材料仍保持金屬特有的導熱性和導電性，而良好的導熱性可以有效減少構件受熱后產生的溫度梯度，防止飛行器構件產生靜電聚集，其通常被應用于對尺寸穩定性要求高的構件中。 目前研究的金屬陶瓷復合粉末主 要分為鈦基陶瓷復合粉末、鎳基陶瓷復合粉末、鈷基陶瓷復合粉末、TiAl 基陶瓷復合粉末。

3.1　鈦基陶瓷復合粉末

Ti 基復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高強、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好的特點。 因此，Ti 基復合材料已成為航空發動機、火箭結構和渦輪發動機的理想材料。

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 鈦基復合涂層，熔覆層中的 TiB 呈細針狀、板條狀和粗針狀三種形態，且所有的 TiB 均由穩態

B27 和亞穩態 Bf 組成。 Kooi 等還揭示了 TiB 在快速生長條件下的三種組織形態及演變機理。 武萬良等 [17] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti＋TiC 粉末，并分析了鈦基復合涂層的制備過程、質量、工藝性、制造成本及增強效果等，證實了激光熔覆 Ti＋TiC 復合粉末制備 TiC／ Ti 復合材料具有可行性。 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，對熔覆層的微觀組織和干滑動摩擦性能進行分析發現，TiC 顆粒部分溶解，涂層顯微硬度在 900～ 1 100HV之間，質量磨損率為 TC4 基體的 1／3。

相對于外加增強的鈦基復合材料，原位增強的 Ti 基復合材料因良好的界面結合狀態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 合金表面進行激光快速成形制備原位自生 TiC 顆粒增強鈦基復合涂層。 研究發現：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，摩擦系數大幅下降。

3.2　鎳基陶瓷復合粉末

鎳基陶瓷復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、耐熱性及潤濕性，且價格適中。 這使其成為激光熔覆材料中 研究最多、應用范圍最廣的粉末。

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合涂層，并研究時效處理對熔覆層性能及組織的影響。 研究發現，高溫時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 ，摩擦系數由 0.225 升高到 0.375，但較于基體仍有較好的耐磨減摩性，說明鎳基陶瓷復合涂層具有良好的高溫穩定性。 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 合金上制備鎳基復合涂層，由于陶瓷相與潤滑相的存在，熔覆層的硬度較基體提高了 3～4 倍，摩擦系數降低為 0.21，在高溫 600 ℃的條件下仍表現出優良的高溫自潤滑性能。 孫榮祿等 [22] 以 Ni 基合金粉末和 TiN 為熔覆粉末，采用激光熔覆技術在 TC4 合金表面制備了 TiN 顆粒增強Ni 基復合涂層，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，熔覆層中顆粒強化和固溶強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 和自潤滑顆粒 CaF 2 復合粉末為熔覆材料，采用激光熔覆技術在 TC4 合金表面制備出自潤滑復合涂層，該涂層的平均硬度為 1 150HV 0.3 ，摩擦系數和磨損率顯著低于基體，表明涂層具有較好的耐磨性。

3.3　鈷基陶瓷復合粉末

鈷基陶瓷復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，常被應用于石化、電力、冶金等領域。 鈷基合 金粉末雖然具有良好的綜合性能，但較高的價格限制了其應用范圍。

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合涂層，當 WC 添加量為 15％～45％時，熔覆層與基體形成良好的冶金結合，熔覆層硬度隨著 WC 含量的增加逐漸增大，最高可達 29.54HRC，是基體硬度的 2～3 倍；當 WC 含量超過 45％時，熔覆層硬度反而逐漸降低，且熔覆層內出現裂紋等缺陷。 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相，TiC、Co 4 B 等增強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 1 003HV）。 同時，增強相在摩擦磨損實驗過程中承受了大部分的作用力，降低了熔覆層的摩擦系數，使熔覆層的耐磨性顯著提高。 劉銘坤等 [26] 通過在 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合涂層，TiC（硬度高、耐磨性好，能夠阻礙組織中的位錯移動，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，熔覆層具有優異的室溫干滑動摩擦磨損性能。

3.4　TiAl 基陶瓷復合粉末

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

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 基陶瓷復合涂層，當 TiB 2 陶瓷粉末添加量低于 50％時，熔覆層組織的細化程度、硬度及耐磨性與 TiB 2添加量成正比；當 TiB 2 添加量高于 50％時，涂層脆性增大，在摩擦磨損實驗中產生裂紋，導致其耐磨性下降。 Liu 等 [28] 在TC4 合金表面制備了 TiN／ Ti 3 Al 金屬間化合物復合熔覆涂層，發現 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 844HV 0.2 。

4、其他粉末

為強化熔覆層性能，研究者發現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。添加的粉末根據其功能不同可以分為稀土及其氧化物粉末、固體潤滑劑粉末、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生化學反應，生成穩定的化合物，在激光熔凝過程中可以作為結晶的外來核心，增加形核率，細化枝晶組織，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，制備出鎳基復合涂層。

研究發現：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 的鎳基復合涂層的摩擦系數（0.41）低于未添加 La 2 O 3 的鎳基復合涂層（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合涂層，當添加 4％的 Y 2 O 3 時，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化，熔覆層硬度高達 1 404.6HV 0.2 （較基體硬度有了明顯提高），摩擦系數明顯降低，耐磨性顯著提高。 朱快樂等 [31] 采用激光熔覆技術在 TC4 基體表面原位反應合成 La 2 O 3 -TiB 增強鈦基復合涂層，當 La 2 O 3 添加量為 3％時，熔覆層中的增強相 TiB 較為細小且分布均勻，熔覆層硬度約為 1 300HV；添加不同質量分 數 La 2 O 3 的熔覆層均與基體結合良好。

4.2　固體潤滑劑粉末

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

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

高秋實等 [33] 通過 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 增強相及 MoS 2 、TiS 潤滑相的鎳基復合涂層。

復合涂層的硬度最高可達 1 137.1HV 0.3 ，摩擦系數為0.319 9，較 TC4 基體均有了較大提高。 為拓寬 TC4 合金表面耐磨自潤滑復合涂層的研究領域，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 含量對鈦合金表面激光熔覆層組織及性能的影響。 結果表明，WS 2 固體自潤滑劑改善了熔覆層的摩擦學性能，WS 2添加量為 30％的熔覆層摩擦學性能最佳。 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 高溫耐磨自潤滑復合涂層。 研究發現，γ-NiCrAlTi／ TiC 和 γ-NiCrAlTi／ TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 復合涂層的摩擦系數在實驗溫度下均遠低于 TC4 基體，γ-NiCrAlTi／TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 則表現出良好的高溫自潤滑減摩性能。

4.3　包覆型粉末

陶瓷粉末及固體潤滑劑在高能激光的作用下易氧化分解和上浮飛濺，通過 Ni 包覆層的保護作用可以避免固體潤滑劑和陶瓷粉末在激光熔覆過程中與激光發生直接反應而被分解，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，摩擦因數穩定在 0.74～0.78。 孫榮祿等 [37] 采用激光熔覆技術在 TC4合金表面制備了 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 復合涂層，經過原子氧輻照后，復合涂層材料性能未發生明顯改變，在真空與大氣兩種環境下仍具有良好的減摩效果，表明 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 復合涂層具有一定的抗原子氧輻照能力。

5、存在的問題及解決方案

國內學者對改善 TC4 合金表面硬度、耐磨性、抗高溫氧化性等進行了大量研究，并取得了豐富的成果。 但是很少有學者關注如何改善熔覆層裂紋問題，而熔覆層的應用范圍受 限歸根結底是裂紋的問題未得到有效解決。

在 TC4 合金表面進行單道激光熔覆實驗時，激光熔覆層中產生的殘余應力較小，不易出現裂紋，在該熔覆層基礎上進行搭接熔覆時，殘余應力會相互疊加，當此殘余應力超過 熔覆層的屈服強度時就會出現裂紋 [38] 。 圖 1 為金屬-陶瓷熔覆層中產生的裂紋及局部放大圖。 在實際生產中，多是使用多道搭接的熔覆層，如修復大面積的零件表面或者進行表面涂覆，因此改善熔覆層的裂紋問題具有重要的意義。

熔覆層中產生裂紋的原因較為復雜。 學者在考察熔覆材料、激光工藝參數、工藝處理條件和基體等因素對激光熔覆層裂紋率的影響時，發現熔覆材料的影響排在首位 [39] 。 熔 覆材料導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差異容易引起裂紋。

通常陶瓷的熱膨脹系數小于金屬，在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷材料時，根據文獻 [40] 可知溫度梯度與熱膨脹系數的差異是產生應力的主要原因。 在選擇熔覆材料時應遵循熔覆材料與基體的熱膨脹系數相近原則，尤其是在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷粉末時，在保證所要達到的性能同時應盡量選擇熱膨脹系數與 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差異所造成的殘余應力 [41] 。 預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 Wu [43] 的研究可知，適當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相及夾雜物等裂紋源，隨著溫度的不斷降低，應力增大，裂紋源會沿著枝晶擴展形成裂紋。 近年來興起的原位反應 自生陶瓷相技術在以陶瓷相為增強相的同時又避免了其成為裂紋源，如原位自生 TiC 顆粒增強鈦基復合材料。 實驗發現，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生的雜質，消除裂紋源 [44] 。

（3）當熔覆層中的脆性大于韌性時，容易在熔覆層中引起裂紋。 在配制激光熔覆粉末時加入適量的稀土元素可以細化熔覆層組織，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] 。 對熔覆后的試樣進行熱處理釋放工件中的殘余應力也可以提高材料的強韌性，減少開裂的傾向。

6、結語

隨著材料科學及相關技術的發展，我國航空航天工業對材料提出了更高的要求，如高強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等。 TC4 合金具有優良的綜合力學性能，在航空航天領域受 到特別關注，但其硬度低、耐磨性差，尚無法滿足我國對新材料的要求。 目前，我國科研人員對 TC4 合金表面激光熔覆材料進行了大量研究，以期改善 TC4 合金的性能，盡管仍有一些問題需要改進，尤其是熔覆層的開裂問題，但是可以預見，隨著眾多學者的加入及國家相關政策的扶持，TC4 合金的潛能將被逐漸挖掘并將被應用到更多的領域。

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