不同送粉速度对TC4钛合金表面激光熔覆的影响

寇元哲，郭晋昌

(陇东学院 机械工程学院,甘肃 庆阳 745000)

钛合金具有强度高、密度小、耐蚀性能优良和生物相容性好等优点，被广泛应用于汽车、化工、航空航天和生物医疗等行业[1, 2]。但是钛合金表面硬度和耐磨性较差，限制了其更广泛地应用[3]。为此，研究人员进行了大量的钛合金表面改性研究。如康新婷[4]对钛合金表面进行电镀改性，由于钛合金表面存在一层致密的氧化膜，电镀前必须清理氧化膜，工艺复杂。Biswas等[5]通过热氧化技术对钛合金进行表面改性，改性后得到的热氧化层层深较浅，无法应用于要求较高的工况。王钧石等[6]采用等离子注入技术改善钛合金表面性能，显著提高了合金硬度和耐磨性，但是效率较低。

在众多钛合金表面改性方法中，激光表面熔覆是一种比较理想的方法[7, 8]。激光熔覆工艺简单，熔覆层层深大，熔覆效率高，基体变形小且熔覆层与基体发生冶金结合，因而钛合金表面激光熔覆改性成为目前研究的热点[9-11]。Zhang等人[12]采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备了TiC改性层，熔覆层力学性能相比TC4基体显著提高。Kumar等人[13]以AlN、Ni和TC4混合粉末为原料在TC4钛合金表面制备熔覆改性层，熔覆层显微硬度是基材的3倍，耐磨性也显著提高，但是熔覆层因塑性差而产生了裂纹。刘建弟等人[14]在TA15钛合金表面激光熔覆WC颗粒增强相，熔覆层WC颗粒分布均匀，滑动磨损条件下耐磨性显著提升，但是熔覆层中有少量裂纹和气孔存在。Li等人[15]采用SiC和Ti混合粉末对TC4钛合金表面进行熔覆改性，改性后的TC4钛合金硬度和耐磨性明显改善，但是熔覆层存在气孔缺陷。以上研究均可有效改善钛合金表面机械性能，但是由于熔覆层塑性和韧性较差，熔覆层往往存在缺陷。其本质是熔覆层硬度和塑性之间的矛盾。解决以上问题的有效方法是尝试不同的熔覆粉末和配比，以及优化工艺参数。

本研究采用TiN和Ti混合粉末对TC4表面进行熔覆改性，研究送粉速度对激光熔覆改性工艺和改性层性能的影响，期望得到性能优良的钛合金表面熔覆层。

1 实 验

实验材料为60 mm×60 mm×8 mm的TC4钛合金板材，其化学成分见表1。用砂轮打磨去除表现氧化物和杂质，用乙醇和丙酮清洗试样表面。

表1 TC4钛合金化学成分(w/%)

采用IPG高功率光纤激光器在TC4板材表面制备熔覆层，如图1所示。激光器型号为LYS-4000，最大输出功率4.0 kW，激光波长1.064 μm，激光器输出连续波激光，激光光斑为圆形，激光能量为高斯分布。采用i-speed3高速摄像系统采集被加热粉末的空间分布形貌，拍摄频率为1000 Hz。采用氩气(纯度99.99%)保护熔覆区域，以免高温熔池发生氧化。氩气与激光束同轴输入。

图1 激光熔覆示意图Fig.1 Schematic diagram of laser cladding

熔覆粉末为TiN和Ti混合物，TiN粉末与Ti粉末的质量比为1∶2，粉末颗粒直径小于20 μm。采用同轴送粉方式，粉末与激光一起从碰嘴喷出。分别采用25、75和125 g/min的送粉速度进行熔覆实验，其他工艺参数不变，如表2所示。

表2 实验工艺参数

用线切割将激光熔覆试样切开，用砂纸打磨并用乙醇清洗横截面。采用Axio Scope A1型光学显微镜拍摄熔覆层横截面形貌，采用ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪(EDS)检测熔覆层横截面氮含量。采用Hv-1000型显微硬度计测量熔覆层横截面显微硬度，测量位置为沿着熔覆层深度方向间隔0.2 mm，每个深度测量3个点，计算3个点的平均硬度作为对应深度的硬度值。

2 结果与分析

2.1 加热粉末空间分布及熔覆层横截面形貌

图2为TC4钛合金表面激光熔覆层照片。熔覆实验自左往右进行，由于初始阶段同轴送粉不稳定，故熔覆层左面部分厚度较浅。从图2中可以看出，熔覆层表面粗糙度较高，并且随着送粉速度增加，熔覆层余高明显增加，而熔覆层宽度有降低的趋势。为避免送粉不稳影响研究结果，本研究主要分析熔覆层右面部分。

图2 不同送粉速度下TC4钛合金表面熔覆层照片Fig.2 Photographs of cladding layer on the surface of TC4 alloy at different powder feeding rates

图3中展示了送粉速度分别为25和125 g/min时，加热粉末空间分布形貌，分别为连续4帧照片。当送粉速度为25 g/min时，空间粉末数量较少，空间粉末吸收了少量激光能量，并在空间发生了熔化，最终在重力作用下过渡到熔池中，同时实现传质和传热。图3a中熔覆粉末数量较少，大量激光能量直接作用在TC4基体表面，形成了轮廓清晰的熔池，且熔池尺寸较大。熔覆过程中，激光头自右往左运动，已凝固的熔覆层表面高于基体，故熔池普遍表现出左侧偏低右侧偏高的特点。送粉速度为125 g/min时，较大送粉速度导致空间粉末数量较多，大量粉末吸收激光能量并在空间发生熔化，故空间加热粉末的亮度更亮一些。图3b中有部分粉末发生了气化，形成金属蒸气。大量激光能量被粉末颗粒吸收，只有少量激光能量传递到基体金属表面，故熔池尺寸较小。

图3 不同送粉速度下加热粉末空间分布形貌Fig.3 Spatial distribution morphologies of heating powders at different powder feeding rates: (a) 25 g/min; (b) 125 g/min

沿图2 A-A线将熔覆层切开，并对熔覆层横截面进行了打磨、剖光和腐蚀，采用光学显微镜拍摄了熔覆层横截面形貌，如图4所示。从图4中可以看出，随着送粉速度的增加，熔深和余高明显增加，熔宽明显减小。首先分析熔深增加的机理。采用较小送粉速度进行实验时，空间粉末只吸收了少部分激光能量，多数激光能量直接作用在TC4基体上，TC4基体表面形成了熔池，熔池将大量激光能量反射，故此时熔深相对较浅。当采用较大送粉速度时，大量粉末在空间吸收了大量激光能量，随着粉末过渡到熔池中，将大量激光能量也带入到熔池中，所以采用较大送粉速度时，熔覆层熔深明显增大。其次分析熔宽减小的原因，本研究采用的激光能量为高斯分布，光束周边能量密度远远低于光束中心能量密度，当采用较大送粉速度时，大量粉末到达基体前发生了气化，吸收了大量光束能量，尤其是光束周边，只有极少量能量到达TC4基体，其能量密度不足以让熔覆层两侧发生熔化，故随着送粉速度增加，熔覆层熔宽减小。送粉速度增加还导致熔覆层余高增加。

测量了熔覆层的熔宽和熔深，如图5所示。从图5中可以看出，当送粉速度在一定范围内变化时，熔覆层熔深和熔宽都随送粉速度呈线性变化关系。采用软件拟合了熔覆层熔深和熔宽与送粉速度的函数关系式，结果如式(1)和式(2)所示。式(1)和式(2)可用来预测不同送粉速度对应的熔深和熔宽，为激光熔覆生产提供指导。

图5 熔覆层熔深和熔宽随送粉速度变化Fig.5 Variations of depth and width of cladding layer with powder feeding rate

y1=11.4x+570.5

(1)

y2=-11.6x+5073.5

(2)

式中：y1为熔深，μm；x为送粉速度，取值范围为25～125 g/min；y2为熔宽，μm。

2.2 熔覆层氮含量与显微硬度

采用EDS线扫描分析熔覆层横截面的氮含量，结果如图6所示。图6中白色线左边部分为熔覆层，右边部分为基体, 颜色较深，基体与熔覆层之间有明显过渡区域。由于图6中不同送粉速度的熔覆层横截面状态不同，故不同送粉速度熔覆层氮含量的cps绝对数值有所差异。基体氮含量接近于零，熔覆层氮含量明显高于基体，在熔覆层与基体过渡区域氮含量发生了跳变。熔覆层的氮含量基本均匀，无氮含量梯度，这是由于熔覆粉末中本身氮含量是均匀的，而且激光熔池在表面张力作用下发生强烈的马兰戈尼对流，将熔化的少量基体与熔覆粉末混合均匀，形成氮含量均匀的熔覆层。熔覆层的氮含量过高将强烈影响其机械性能。

图6 不同送粉速度下熔覆层的氮元素EDS线扫描Fig.6 EDS line scanning of nitrogen element of cladding layer at different powder feeding rates: (a) 25 g/min; (b) 75 g/min; (c) 125 g/min

图7为熔覆层横截面的显微硬度测量结果。图7中可以看出，TC4基体显微硬度约3.4 GPa，熔覆层的显微硬度明显提高。由于边缘效应，第1个测量点的显微硬度低于熔覆层平均显微硬度，且不同送粉速度的熔覆层均表现出相同的趋势。送粉速度为25 g/min时，熔覆层显微硬度大约为5.9 GPa，这是由于氮元素起到第二相强化的作用。送粉速度为25 g/min的熔覆层硬度明显低于送粉速度为75和125 g/min的熔覆层，这是由于送粉速度较小时，熔覆层被基体强烈稀释，氮含量较小，故熔覆层硬度较小。送粉速度为75和125 g/min的熔覆层显微硬度大约都是9.3 GPa，此时送粉速度较大，粉末吸收了大量激光能量，基体只吸收了少量激光能量，并且只有少量基体被熔化，所以熔覆层稀释率较低，熔覆层氮含量更高，显微硬度更高。实验证明送粉速度从75 g/min提高到125 g/min时，只是增加了熔覆层的熔深，熔覆层显微硬度并没有明显提高。当送粉速度为75 和125 g/min时，熔覆层显微硬度均基本均匀，无明显梯度，这是由于熔覆层氮含量较均匀。熔覆层显微硬度在熔覆层与基体过渡区域发生了突变，这也与氮元素的分布规律一致。

图7 不同送粉速度下熔覆层横截面显微硬度分布Fig.7 Cross section microhardness distribution of cladding layer at different powder feeding rates

3 结 论

(1) 采用光纤激光对TC4钛合金表面进行熔覆改性，送粉速度较小时，粉末吸收了少量激光能量，熔池较大，熔覆层表现出宽而浅的特点；送粉速度较大时，粉末吸收大量激光能量，熔池较小，熔覆层表现出窄而深的特点。

(2) 当送粉速度较大时，熔覆层的氮元素含量和显微硬度都表现出均匀分布的特点，没有明显梯度。随送粉速度增加，熔覆层显微硬度会增加，最终稳定在约9.3 GPa。