鈦合金表面WC耐磨涂層激光制備技術性能表征及界面行為研究綜述，重點梳理激光熔覆重熔原位輔助噴涂工藝-組織-性能關系，總結硬度結合力磨損率提升機制及現存問題與解決方案

引言

鈦合金比強度高、耐腐蝕性優良,在航空航天和特種裝甲等高端武器裝備制造領域已成為不可或缺的輕質高強結構材料(鈦用量:航空器15%~40%,航天器5%~30%，艦船超過千噸，坦克和導彈實現全鈦制備)。然而,鈦合金耐磨性能的不足嚴重限制了其使用壽命，需要在其表面制備硬質涂層，以滿足對鈦合金在摩擦工況下的耐磨要求[1]。碳化鎢(WC)在金屬陶瓷碳化物中硬度最高(約2000HV),具有優良的紅硬性和耐磨性,且易被熔融金屬潤濕,常被用于制備高耐磨涂層。同時,WC與鈦合金的熱膨脹系數較為接近(分別約為6.9x10^-6/K和6.5x10^-6/K)，可有效降低涂層開裂敏感性[2]。因此,制備WC涂層可以大幅提高鈦合金耐磨性,滿足其長期服役的使用需求。

WC涂層的耐磨性能與兩項指標密切相關，一是涂層的致密性，二是涂層和基底的結合力，選取不同的涂層制備技術對上述兩項指標會產生直接影響。鈦表面制備WC涂層的常見方法主要有熱噴涂(TS)、物理氣相沉積(PVD)和激光改性(Laser modification)等,不同的制備方式具有各自的優缺點。其中，物理氣相沉積需在真空條件下(壓強<101kpa)進行，熔覆層易產生缺陷;超音速火焰噴涂可均勻制備涂層，源于粒子超音速沖擊，涂層致密性高，但制備溫度較低(~800℃)，涂層與基體僅為機械結合，結合力不足。激光改性技術制備wc涂層具有相對優勢，激光熱源溫度高(>1500℃),所制備涂層與基體實現冶金結合,結合力優異,通過調節激光參數(功率、掃描速度或光斑直徑等)還可以改善涂層的致密性。另外，激光改性技術對操作環境要求較低，適用于多種復雜環境中的制備和修復場景，技術可靠性高。本文介紹了采用3種激光改性技術在鈦表面制備WC涂層的技術特點和涂層特性，包括激光熔覆、激光重熔和激光原位輔助噴涂，每種激光改性方式各有特點。

1、激光表面改性技術制備WC耐磨涂層

激光源于20世紀60年代，由光受激輻射演變而來，具有顏色純、亮度高、方向性高度集中等特性。激光束通過光學鏡片可聚焦成小尺寸的光斑(直徑為1~3 mm),具有極高的功率密度,可以對金屬材料表面進行非接觸式瞬間加熱，然后實現迅速冷卻凝固(冷卻速度約1000℃/s),形成具有一定厚度(mm級)的表面處理層[4]。近年來，利用具有高能量特性的激光改性技術來制備WC耐磨涂層的研究數量不斷增加，激光束可在鈦合金表面形成WC涂層，有效改善鈦合金的耐磨性，其中具有代表性的技術有激光熔覆、激光重熔、激光原位輔助噴涂等方式。

1.1激光熔覆制備技術

激光熔覆是利用高能激光束對基材上添加的熔覆材料進行輻照熔凝，進而形成與基材冶金結合的熔覆層以實現表面改性的技術。該技術可以熔覆多成分、多粒度、多功能的單元或多元復合添加材料，熔覆層的成分和厚度靈活可調;同時以較小的稀釋度(\eta<8%)產生較高強度的冶金結合，涂層結合力優異;由于加熱與冷卻速率快，相應改性涂層的晶粒細小、熱影響區窄、組織致密;同時，面向金屬材料表面改性和修復，激光熔覆技術具有可控性高和制造高效率(熔覆線速度可達數m/s)的特點，并且對比零件更換成本，激光熔覆修復成本大幅度下降。基于以上，激光熔覆在金屬基和陶瓷基涂層等制造和修復領域以短時耗、低成本、高質量等特點脫穎而出[5]。

裂紋和氣孔是激光熔覆制備鈦合金表面WC涂層的主要缺陷，這主要由于快速加熱與冷卻易產生缺陷。通過調節工藝參數和熔覆材料成分可以改善涂層缺陷3。如激光熔覆速率調控方面，適宜的熔覆速率可以避免快速熱脹/冷縮誘導的晶界、氣孔等處裂紋萌生;光斑直徑調控方面，適宜的光斑尺寸可以減輕涂層開裂;熔覆材料成分調控方面，通過選取適宜成分配比，可以消除熔覆層與基體材料熱膨脹系數和導熱率等物理性能差異較大引起的裂紋和脫落。氣孔是在激光快速凝固過程中熔池里的氣體遺留在熔覆層中所形成。另外，熔池存在的時間短，使得殘留的氧氣與高溫下的C發生反應，生成CO和CO₂等氣體也會造成氣孔。

綜上，激光熔覆制備WC涂層時選擇合適的工藝參數以及熔覆材料較為關鍵。張珺等[6]在制備WC-Co涂層時發現，合適的激光功率和掃描速度對涂層耐磨性能影響顯著，如圖1所示。激光功率為2000W時，形成致密的涂層，磨損率最佳為1.48g/h;掃描速度為480mm/min時，磨損率最佳為1.79g/h。采用陶瓷/合金復合涂層方法可以降低熔覆層的殘余應力，提高涂層與基體的結合強度。劉金剛等在TC4鈦合金上預置Ni60+50%WC混合粉末，利用激光熔覆技術制備的WC顆粒增強耐磨復合涂層與基體結合優異，組織均勻致密，涂層中原位合成的硬質相和細晶強化共同作用使得涂層硬度顯著提高，約為TC4基體的3倍，同時摩擦系數和磨損量都遠低于TC4鈦合金基體,有效改善了鈦合金基體的綜合性能。張林等8利用激光熔覆技術在鈦表面制備出Ti-Al/WC復合涂層，涂層與基體實現冶金結合，同時涂層組織致密均勻，TiC呈樹枝晶狀或花瓣狀在熔覆層中彌散分布，無裂紋、氣孔等缺陷。通過磨粒磨損試驗發現，其涂層耐磨性能較基體提高了約4倍。

1.2激光重熔技術

相對激光熔覆，激光重熔是一種針對涂層缺陷進行二次熱處理的技術，即該技術是在等離子噴涂或冷噴涂等之后對現有涂層進行二次修復。等離子噴涂或冷噴涂涂層致密性較差，且涂層與基體為機械結合，激光重熔技術可以使機械結合轉為冶金結合，實現結合強度的提升;同時，激光重熔過程帶來的熱量輸入可以使噴涂涂層更加致密，改善裂紋缺陷。

對于激光重熔鈦表面WC涂層，孔隙率和涂層與基體結合力直接影響涂層的耐磨性能。何文等制備了等離子噴涂WC/Ni金屬陶瓷涂層，經過激光重熔處理后發現，基體與涂層由機械結合轉變為冶金結合，涂層孔隙率下降55%，涂層硬度得到明顯提高，其顯微硬度比基體高255HV。這主要是由于在重熔過程中，WC發生分解，形成新的硬質相使涂層的硬度和耐磨性提升。趙運才等[10]經激光重熔技術處理等離子噴涂WC/Fe復合陶瓷涂層后發現，重熔涂層的顯微硬度約為原等離子噴涂涂層的2倍，涂層片層狀結構和孔隙等缺陷基本消失。MateosJ等時對比了等離子噴涂WC-Co涂層在激光重熔前后的耐磨性能，發現涂層經激光重熔后，微觀結構得到改善，涂層顯微硬度和涂層與基體的結合力均得到提升，相同環境磨損率由9.3x10^-7mm³/(N·m)降為2.7x10^-7mm³/(N·m),顯著提高了涂層的耐磨性能。綜合來看，激光重熔改善了涂層夾雜氣孔、裂紋和雜質等原生缺陷。陶瓷和金屬間的元素擴散以及冶金結合的界面共同提升了涂層的綜合性能。

1.3激光原位輔助噴涂

激光原位輔助噴涂是將激光熱源同步在加熱成形過程中，在噴涂過程中使用激光輔助，保持粉末沉積點與激光光斑同步運動，瞬間調節、改善材料的力學性能和粉末碰撞沉積狀態，提高沉積效率、致密性以及與基體結合強度，進而提高涂層的耐磨性能。相較于單一噴涂，激光原位輔助工藝可以消除噴涂層層狀結構以及氣孔、裂紋等缺陷，有效緩解了因熱應力產生的微裂紋，具有較好的應用前景[14]。

冷噴涂制備陶瓷基復合涂層對材料的選擇存在限制,涂層的質量受粘結相熔化程度制約，激光原位輔助冷噴涂工藝可以利用激光加熱噴涂的顆粒和基材,來實現硬質材料的沉積。噴涂過程中，利用粉末的極快飛行速度和激光快速的掃描速度，從而減少激光對噴涂粉末作用的時間，保證了顆粒在沉積過程中保持固態，大幅提升了硬質相的保留率[15]。LuoF等[16]利用激光原位輔助冷噴涂技術制備了WC/Ni60陶瓷基復合涂層，涂層中物相為Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、FeNi和WC，說明冷噴涂過程中同步輔助的激光熱源并沒有導致WC分解。相比之下，激光熔覆制備的涂層WC發生了分解，導致涂層耐磨性能下降。李祉宏等[18]采用激光原位冷噴涂技術制備WC-Stellite6復合涂層,涂層制備過程中陶瓷相未分解使得Stellite6涂層保持其本身韌性優異的性能，均勻分布的陶瓷相在涂層受載時起到了良好的應力緩沖作用，使得涂層未發生開裂。

就目前研究來看，作為一種新型的涂層制備技術，激光原位輔助噴涂工藝優勢明顯，其涂層與基體結合強度高、孔隙率低;同時粉末沉積效率高，具有較強的發展前景，表1~2總結了激光重熔和激光原位輔助噴涂的工藝參數以及涂層的性能[9-13,16-19]。

表1 激光重熔對WC涂層性能影響

表2 激光原位輔助噴涂對WC涂層性能影響

2、總結與展望

通過激光技術制備WC涂層，可顯著提高鈦合金工件的耐磨性能，提高工件服役壽命，這對節約資源，減少污染，實現可持續發展具有重要意義。激光熔覆涂層與基體結合較好，低致密性往往制約涂層的應用，熔覆層易出現裂紋和氣孔;激光重熔可以在噴涂后作為后工序有效改善涂層的致密性，卻增加了工藝復雜性;激光原位輔助噴涂技術兼具了激光熔覆和熱噴涂的優點，將會是未來制備高硬度涂層的重要技術手段。

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（注，原文標題：激光改性制備鈦合金表面WC耐磨涂層研究進展_索井港）

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