热喷涂、激光熔覆…为钛合金打造“钻石嫁衣”！

利用表面工程技术在关键零部件上制备表面保护涂层是实现零部件延寿和高可靠性要求的重要手段， 表面工程能制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳等性能。

钛及钛合金被广泛应用于航空、航天、船舶、化工和军事工业等领域，但其硬度低、摩擦系数高、耐磨性差、高温高速摩擦易燃等缺点严重限制了其进一步的广泛应用。在钛合金表面制备具有优异性能的硬质表面防护涂层可在保持基体钛合金的高强轻质特性的同时有效改善其薄弱的表面性能， 满足一些的特殊使用要求。

1、气相沉积

在钛合金的众多表面改性工艺中， 气相沉积技术因沉积速度快、耗材少等特点而广受关注。常用的气相沉积技术包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。

Ceschini 等人采用PVD 技术在Ti-6Al-4V 钛合金表面制备了TiN、(Ti，Al)N 和超晶格CrN/NbN薄层。结果表明，PVD 涂层具有明显高于基体材料的硬度，由于硬度的升高，TiN 沉积层的摩擦系数显著降低， 其在干滑动磨损条件下的耐磨性能也得到了显著改善。Gr觟gler 等人通过CVD 方法在Ti-6Al-4V 合金表面沉积了金刚石涂层， 结果表明，在适当工艺条件下制备该CVD 涂层后， 极大改善了合金的耐冲蚀磨损性能，而普通PVD 涂层一般无法达到此类性能要求。多数PVD 涂层存在着膜层结合力较低，在较高荷载下易发生剥落的缺点。CVD涂层也有其缺点，如易导致工件变形、影响加工精度和易产生污染等。

2、 热喷涂

热喷涂技术是表面防护和强化的重要技术之一，热喷涂工艺效率高、操作简便灵活，而且由于其热源的温度范围很宽， 因而可喷涂的涂层材料范围较广。常用的热喷涂方法包括超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、爆燃喷涂和氧乙炔火焰喷涂等。

Li 等人[18]采用HVOF 喷涂技术在Ti-6Al-4V 表面制备了羟基磷灰石涂层。研究表明，涂层组织较为致密，力学性能较好，涂层硬度可达1。3GPa。Zhou等人采用等离子喷涂工艺在钛合金表面制备了热  障涂层，采用Ni-20Cr-6Al-Y 结合层，所用喷涂喂料为ZrO2-8wt%Y2O3粉末， 涂层截面硬度达1000HV以上。

热喷涂方法已被广泛用于制备具有一定致密度和结合强度的耐磨抗蚀涂层。热喷涂涂层具有明显的层状结构，容易在涂层中产生气孔，且涂层与基体之间的结合大多是机械结合， 此类结合强度一般难以满足重载条件下的服役要求。

3、 激光表面合金化和激光熔覆

近年来， 随着大功率激光器的相继问世以及激光技术的不断完善， 激光在各工业领域得到了迅猛发展。常用的激光表面改性技术包括激光表面合金化、激光熔覆和激光重熔等。

激光表面合金化利用激光辐照使基体熔化，同时添加所需合金元素形成几百微米至一毫米左右的合金化改性层，从而提高材料表面性能，且合金化表面层与基材可形成冶金结合。Sha 等人采用NiAl和ZrO2混合粉末， 在Ti-6Al-4V 合金表面制备了合金化层，结果表明，在合金化过程中生成了AlZr3和Ti3Al 等新相。改性处理的涂层组织更为细密，其硬度升高到500~650HV。总体而言，激光表面合金化涂层与基材界面处的稀释度常常偏大，且界面附近易形成脆性相。

激光熔覆技术是采用不同的填料方式在被涂覆基体表面预置涂层材料， 经激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度低，与基材形成冶金结合的表面涂层。Sun 等人采用TiC和NiCrBSi 混合粉末在Ti-6Al-4V 表面通过激光熔覆工艺制备了TiC-NiCrBSi 复合涂层，结果表明，熔覆涂层由熔覆区、结合区和热影响区组成，涂层与基体之间形成了良好的冶金结合。磨损试验表明，该熔覆层的耐磨性能优于原始钛合金基体。总体而言，激光熔覆技术存在的问题是熔覆过程中过高的温度易造成预置粉末烧损， 且预置涂层中残存的水分及熔覆过程中产生的气体和夹杂等往往导致熔覆涂层中气孔率偏大。

针对TC4 钛合金表面硬度低、耐磨性差的缺点，将等离子喷涂技术与激光重熔技术相结合，采用纳米结构粉体在钛合金表面制备了纳米结构Al2O3-TiO2涂层，结果表明，重熔涂层可保持纳米结构，且涂层内部组织均匀致密，与基体形成了良好的冶金结合，重熔涂层表现出双模态特征，由熔融的熔凝组织和均匀分布在涂层中起增强作用的未熔颗粒组成，重熔涂层硬度可达1100~1800HV0。相当于基体硬度的3~4 倍。

由于激光处理具有快冷快热的特点， 极高的冷却速度常常使得在涂层表层区域萌生裂纹。此外，钛合金反应活性大， 而陶瓷粉末与钛合金基体的润湿性又很差，且两者的热学性能相去甚远。因此，目前在钛合金基体上直接制备质量优良的陶瓷熔覆层仍是一大挑战。

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（文章转载至中国腐蚀与防护网，图片来源于网络）