引言
鈦合金比強度高、耐腐蝕性優(yōu)良,在航空航天和特種裝甲等高端武器裝備制造領(lǐng)域已成為不可或缺的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)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(dǎo)彈實現(xiàn)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(zhì)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(yōu)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(shù)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(guān)，一是涂層的致密性，二是涂層和基底的結(jié)合力，選取不同的涂層制備技術(shù)對上述兩項指標會產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)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(jié)合，結(jié)合力不足。激光改性技術(shù)制備wc涂層具有相對優(yōu)勢，激光熱源溫度高(>1500℃),所制備涂層與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合,結(jié)合力優(yōu)異,通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)(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(shù)對操作環(huán)境要求較低，適用于多種復(fù)雜環(huán)境中的制備和修復(fù)場景，技術(shù)可靠性高。本文介紹了采用3種激光改性技術(shù)在鈦表面制備WC涂層的技術(shù)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(shù)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(xué)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(xiàn)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(shù)來制備WC耐磨涂層的研究數(shù)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(shù)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(shù)
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(jié)合的熔覆層以實現(xiàn)表面改性的技術(shù)。該技術(shù)可以熔覆多成分、多粒度、多功能的單元或多元復(fù)合添加材料，熔覆層的成分和厚度靈活可調(diào);同時以較小的稀釋度(\eta<8%)產(chǎn)生較高強度的冶金結(jié)合，涂層結(jié)合力優(yōu)異;由于加熱與冷卻速率快，相應(yīng)改性涂層的晶粒細小、熱影響區(qū)窄、組織致密;同時，面向金屬材料表面改性和修復(fù)，激光熔覆技術(shù)具有可控性高和制造高效率(熔覆線速度可達數(shù)m/s)的特點，并且對比零件更換成本，激光熔覆修復(fù)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(fù)領(lǐng)域以短時耗、低成本、高質(zhì)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(chǎn)生缺陷。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和熔覆材料成分可以改善涂層缺陷3。如激光熔覆速率調(diào)控方面，適宜的熔覆速率可以避免快速熱脹/冷縮誘導(dǎo)的晶界、氣孔等處裂紋萌生;光斑直徑調(diào)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(diào)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(shù)和導(dǎo)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(fā)生反應(yīng)，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(shù)以及熔覆材料較為關(guān)鍵。張珺等[6]在制備WC-Co涂層時發(fā)現(xiàn)，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(fù)合涂層方法可以降低熔覆層的殘余應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強度。劉金剛等在TC4鈦合金上預(yù)置Ni60+50%WC混合粉末，利用激光熔覆技術(shù)制備的WC顆粒增強耐磨復(fù)合涂層與基體結(jié)合優(yōu)異，組織均勻致密，涂層中原位合成的硬質(zhì)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(shù)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(shù)在鈦表面制備出Ti-Al/WC復(fù)合涂層，涂層與基體實現(xiàn)冶金結(jié)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(fā)現(xiàn)，其涂層耐磨性能較基體提高了約4倍。
1.2激光重熔技術(shù)
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(shù)，即該技術(shù)是在等離子噴涂或冷噴涂等之后對現(xiàn)有涂層進行二次修復(fù)。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(jié)合，激光重熔技術(shù)可以使機械結(jié)合轉(zhuǎn)為冶金結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)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(jié)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(jīng)過激光重熔處理后發(fā)現(xiàn)，基體與涂層由機械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)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(fā)生分解，形成新的硬質(zhì)相使涂層的硬度和耐磨性提升。趙運才等[10]經(jīng)激光重熔技術(shù)處理等離子噴涂WC/Fe復(fù)合陶瓷涂層后發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)涂層經(jīng)激光重熔后，微觀結(jié)構(gòu)得到改善，涂層顯微硬度和涂層與基體的結(jié)合力均得到提升，相同環(huán)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(zhì)等原生缺陷。陶瓷和金屬間的元素擴散以及冶金結(jié)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(diào)節(jié)、改善材料的力學(xué)性能和粉末碰撞沉積狀態(tài)，提高沉積效率、致密性以及與基體結(jié)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(jié)構(gòu)以及氣孔、裂紋等缺陷，有效緩解了因熱應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋，具有較好的應(yīng)用前景[14]。
冷噴涂制備陶瓷基復(fù)合涂層對材料的選擇存在限制,涂層的質(zhì)量受粘結(jié)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(xiàn)硬質(zhì)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(tài)，大幅提升了硬質(zhì)相的保留率[15]。LuoF等[16]利用激光原位輔助冷噴涂技術(shù)制備了WC/Ni60陶瓷基復(fù)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(dǎo)致WC分解。相比之下，激光熔覆制備的涂層WC發(fā)生了分解，導(dǎo)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(shù)制備WC-Stellite6復(fù)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(yōu)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(yīng)力緩沖作用，使得涂層未發(fā)生開裂。
就目前研究來看，作為一種新型的涂層制備技術(shù)，激光原位輔助噴涂工藝優(yōu)勢明顯，其涂層與基體結(jié)合強度高、孔隙率低;同時粉末沉積效率高，具有較強的發(fā)展前景，表1~2總結(jié)了激光重熔和激光原位輔助噴涂的工藝參數(shù)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
| 涂層 | 參考文獻 | 激光重熔參數(shù) | 性能變化 |
| 功率/W | 速度/(mm·min-1) | 光斑/mm | 激光重熔前 | 激光重熔后 |
| WC-Ni | [9] | 1000 | 480 | φ4 | 孔隙率/%/硬度/HV |
| 7.02/1 000 | 3.08/1 200 |
| WC-Fe | [10] | 500 | 186 | φ1.5 | 磨損率/(mm3·N-1·m-1) |
| 25.13x10-5 | 8.5x10-5 |
| WC-Co | [11] | 1450 | 500 | 43 | 磨損率/(mm3·N-1·m-1) |
| 9.3x10-7 | 2.7x10-7 |
| WC-Co | [12] | 1100 | 720 | φ5 | 硬度/HV |
| 1046.2 | 1547.6 |
| WC-Ni | [13] | 1200 | 300 | 5x3 | 磨損質(zhì)量損失/mg |
| 1.9 | 0.6 |
表2 激光原位輔助噴涂對WC涂層性能影響
| 涂層 | 參考文獻 | 激光原位輔助噴涂參數(shù) 功率/W 速度/(mm·min-1) 噴射距離/mm | 性能變化 |
| 激光原位輔助前 激光原位輔助后 |
| WC-Ni | [16] | 2000 | 10 |
| 硬度/HV |
| 294 | 690 |
| WC-316L | [17] |
| 10 | 30 | 摩擦系數(shù) |
|
| 0.54 | 0.39 |
| WC-Stellite 6 | [18] | 8.66x107 W/m2(密度) | 10 | 30 | 50kg加載壓力 |
|
| 放射性裂縫 | 無裂紋 |
| WC-316L | [19] | 1800 | 10 | 30 | 摩擦系數(shù) |
|
| 0.9 | 0.65 |
2、總結(jié)與展望
通過激光技術(shù)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(jié)約資源，減少污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。激光熔覆涂層與基體結(jié)合較好，低致密性往往制約涂層的應(yīng)用，熔覆層易出現(xiàn)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(fù)雜性;激光原位輔助噴涂技術(shù)兼具了激光熔覆和熱噴涂的優(yōu)點，將會是未來制備高硬度涂層的重要技術(shù)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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