钛合金的激光表面硬化

2013-05-16戈彦劼王慧萍

实验室研究与探索 2013年2期

戈彦劼，王慧萍

（1.上海西南位育中学，上海200233;2.上海工程技术大学材料工程学院，上海 201600）

0 引言

钛具有良好的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性能，日益得到牙科界的关注，随着口腔种植技术、钛合金的精密铸造技术的不断完善和焊接、黏结、烤瓷技术的进步，钛合金作为牙科材料显出良好的前景［1-2］。

钛的密度小（钢的60%）、强度高（相当于钢）、比强度很大，钛的熔点1 690℃，在300～600℃工作温度钛的比强度优于钢和铝。超音速飞机表面易产生热障，原有的铝合金不能胜任，要求用耐热性、抗腐蚀性优良的钛合金。美国最早使用钛合金的是F-86战斗机，后来F-111，F-14，F-15战斗机广泛使用钛合金，飞行速度超过3倍音速的SR-7更是“全钛飞机”［3-4］。

但是，钛合金在用作航空材料时也有缺陷，如硬度低、耐磨性能差，表面容易划伤和咬死，如何解决钛合金耐磨性能差的缺陷是当前钛合金研究领域的重点［3-9］。钛合金在用作牙科材料时，保障牙齿修复体（如种植牙）的长期使用是个关键因素。种植体的失败经常是由于过度磨损后，导致种植体松动脱落［1］。总之，无论钛合金用作结构材料或功能材料均需提高硬度和耐磨性。

本文运用激光熔覆工艺，在钛合金表面制备1～2 mm的TiC激光熔覆层，目的是大幅度提高钛合金的表面硬度和耐磨性。

1 试件的制备和检测

1.1 激光熔覆工艺［10］

激光熔覆工艺示意图见图1，在金属基体表面铺敷预涂粉层，在高能密度激光束的幅照下，预涂粉层和基体表面的一薄层材料同时熔化，快速形成溶池，当激光束一移开，因金属基体的自激冷，溶池快速凝固，生成与基体材料冶金结合的熔覆层。

图1 激光熔覆示意图

激光熔覆是一个复杂的冶金过程。预涂粉层的成分和制备工艺，激光熔覆的工艺参数（激光器功率、光斑直径、离焦量、扫描速度等）对熔覆层的质量影响很大。

与传统的堆焊、热喷涂及离子喷涂相比，激光熔覆具备下述优点：①比堆焊的凝固速度快，变形小，而且预涂粉层的原料几乎不受限制;②相比热喷涂及离子喷涂，激光熔覆层和金属基体冶金结合，不易脱落;③激光束可以照射到传统工艺难以接近的区域，易实现自动化。因此，激光熔覆技术是表面改性研究热点。

目前激光熔覆技术的进一步应用面临问题是激光熔覆的快速加热和快速凝固（最高速度1 012℃/s），由于熔覆层和基体材料温度梯度和热膨胀系数差异，很可能在熔覆层中生成工艺缺陷，如气孔、裂纹等［10］。

解决熔覆层开裂敏感性的途径有：①精心设计预涂层和熔覆层的合金成分和组成;②优化激光熔覆工艺参数，激光熔覆设备的自动化和智能化（如美国采用五轴联动数控激光机和专用的CAD/CAM软件闭环控制系统［10］）;③ 采取减少熔覆层内应力的工艺措施。

据报导［10］，美国航空工业中已用激光熔覆强化镍基涡轮叶片，提高耐磨损、耐腐蚀寿命，美国汽车工业已用激光熔覆提高阀的耐磨性。

1.2 试样的制备

（1）激光器。采用HL-5000型横流CO2激光加工机，最高功率5 kW。

（2）基体材料及成分。试验基体材料为TC4钛合金（退火态），其成分（质量百分数）见表1。

（3）预涂粉层的成分设计。预涂粉层有两种设计成分：① 30%TiC（粉）+70%Ti（粉）（体积比），简称（TiC-Ti）系;② 30%TiC（粉）+30%Ti（粉）+40%F102（粉）（体积比），其中 F102粉的组成为Cr16B4Si4NiRem，简称（TiC-Ti-F102）系。

表1 TC4钛合金的化学成分 %

（4）预涂粉层的制备。预涂粉的颗粒如下：Ti粉50～100 μm;TiC 粉平均40 nm，F102平均106 μm。

上述组成的合金粉末放在球磨机中研磨，使其混合均匀，用铺粉装置在试样上铺设预涂粉层，预制涂层厚度为0.8 ～1.2 mm，低温烘干。

（5）最佳激光熔覆工艺参数。经反复调整得到最佳激光熔覆工艺参数：激光入射功率3～4 kW，光斑直径2～3 mm，激光扫描速度4～8 mm/s。

1.3 试件的检测

（1）试件在金相实验室制成金相试样，在光学显微镜下观察低倍组织;

（2）HXD-1000TMC型显微硬度计测试熔覆层及基体的显微硬度;

（3）带EDAX能谱仪的S-570扫描电镜测定熔覆层的显微组织和组成相的合金成分分析;

（4）PANalytical型X射线衍射仪测定熔覆层相组成的物相;

（5）HT-600型销-盘式高温摩擦磨损试验机测定熔覆层及基体的磨损量。

2 检测结果和分析

2.1 熔覆层的低倍全貌照片

图2为（TiC+Ti）和（TiC+Ti+F102）单道激光熔覆试样横剖面的低倍金相照片，试样由熔覆层（CZ）、基底热影响区（HAZ）和基底3部分组成。图中未发现裂纹和气孔，说明激光熔覆工艺参数是可行的。

2.2 熔覆层沿深度方向的硬度梯度曲线测定

由图3（a）可知：基体TC4的硬度约为300HV0.1，（TiC+Ti）熔覆层的硬度约为700HV0.1;硬化层深度约为1.25 mm;由图3（b）可知：基体TC4的硬度约为300HV0.1，（TiC+Ti+F102）熔覆层的硬度约为800HV0.1;硬化层深度约为1.28 mm。

为了说明本文熔覆层硬度曲线的工程意义，以电梯正弦轮为例［11］。该零件材料为QT600-3球墨铸铁，磨损槽面采用激光相变硬化处理，其激光硬化层的梯度曲线如图4所示，QT600-3球墨铸铁基体的硬度约为300HV0.1，激光淬硬层的硬度约为900HV0.1，硬化层深度约为0.85 mm。

图2 激光熔覆层横剖面低倍金相照片

图3 激光熔覆层沿层深方向的硬度梯度曲线

图4 电梯正弦轮槽面激光淬硬层的梯度曲线

钛合金的（TiC+Ti+F102）熔覆层与QT600-3球墨铸铁激光相变硬化层相比，硬度略低一点，但硬化层深度超过QT600-3球墨铸铁激光相变硬化层。

2.3 磨损性能的测定

磨损性能测试结果如表2所示。从表2可知，钛合金基体的磨损量比（TiC+Ti+F102）激光熔覆层大了5倍左右，即（TiC+Ti+F102）激光熔覆层的耐磨性比基体钛合金提高了5倍左右;（TiC+Ti）激光熔覆层比基体钛合金提高了4倍左右。

从硬度和磨损性能看，（TiC+Ti+F102）熔覆层比（TiC+Ti）熔覆层更适合于要求高耐磨性的结构材料的耐磨件。

表2 TC4钛合金和激光熔覆TiC复合涂层的摩擦磨损性能

表2磨损结果和图3的硬度测试结果能相互对应。金属的磨损和硬度之间存在着下列关系式［12］：

黏着磨损

磨粒磨损

式中：W为磨损量;H为硬度;K1、K2为磨损系数;N为法向载荷;L为滑动的距离。

由于工程中测试硬度较方便，往往用硬度高低来判别耐磨性的好坏。

2.4 显微组织分析和微区成分分析

（TiC+Ti）熔覆层显微组织见图5;（TiC+Ti+F102）熔覆层显微组织见图6。从近基体的熔覆层照片可以看到：熔覆层与基体之间是冶金结合的，这保证了工程应用时硬化层不会剥落。从熔覆层照片中发现白色针状组织，为了确定其物相作了微区成分分析，结果见图 7，其中：Ti含量为 70.49（质量分数）、45.31（原子分数）;C 的含量为 18.74（质量分数）、48.03（原子分数）;Si的含量为0.61（质量分数）、0.66（原子分数）;V的含量为4.64（质量分数）、2.80（原子分数）;Cr的含量为 4.25（质量分数）、2.52（原子分数）;Ni的含量为1.28（质量分数）、0.67（原子分数）。从图7可以非常明显地看到Ti峰和C峰，说明白色针状相是TiC。

2.5 X射线物相鉴定

由图8可见，（TiC+Ti）的激光熔覆层由TiC、（α或β）Ti等相组成，（TiC+Ti+F102）的激光熔覆层由TiC，（α 或 β）Ti，γ-Ni，CrB，VC，Ni3Al等相组成。

图5 （TiC+Ti）激光熔覆层的显微组织

图6 （TiC+Ti+F102）激光熔覆层的显微组织

图7 针状组织的EDAX图

图8 激光熔覆层的X射线衍射图

由于（TiC+Ti+F102）加入成分复杂（有 Ti，C，Ni，Cr，B等），因此熔覆层的组成相除TiC和（α或β）Ti外，尚有 γ-Ni，CrB，Ni3Al等相，组成相多可能对提高硬度有好处，但对腐蚀和生物相容性是不利的。而（TiC+Ti）熔覆层加入成分只有Ti和C，所以激光熔覆层的组成相只有TiC和（α或β）Ti。

Hg，Ni，Cu，Zn，Al，Be，Cr，Co，V，Pd 元素具有细胞毒性作用，在牙科材料及生物医学材料中应避免使用［13］;而元素 Ti，Nb，Zr，Sn，Mo，Ta，Fe是无毒性元素，可作生物材料。

（TiC+Ti+F102）系预涂粉中有Ni，Cr等细胞毒性元素，对生物材料是不可取的。而（TiC+Ti）系预涂粉中无细胞毒性元素可用于牙科材料或生物材料。

本次选用的基体金属是TC4钛合金，作为结构材料来说是合理的;但作为牙科材料应把基体金属改用（Ti-Nb-Mo）系钛合金［14］。

3 结论

（1）钛合金具有良好的机械性能，比强度大、生物相容性好和耐腐蚀性好，已用作航空结构材料和医用牙科功能材料。但钛合金在两大领域使用过程中暴露出硬度低、不耐磨损的缺点。本文旨在用激光熔覆工艺提高钛合金表面的硬度和耐磨。课题内容为：①摸索最佳激光熔覆工艺参数，防止生成裂纹和缺陷;②设计了两种类型的预涂粉层的成分，即（TiC+Ti+F102）系和（TiC+Ti）系，在最佳激光工艺参数下得到两种类型的激光熔覆层;③对两种熔覆层作了比较全面的检测和分析。

（2）（TiC+Ti+F102）激光熔覆层的硬度约为800HV0.1左右;层深约为1.28 mm，磨损试验结果表明：（TiC+Ti+F102）熔覆层比钛合金基体的耐磨性提高了5倍左右。因此（TiC+Ti+F102）熔覆层有望应用于航空工程的钛合金耐磨损件上。需要进一步做磨损件产品的模拟试验和装机试验。

（3）（TiC+Ti）激光熔覆层的硬度约为700HV0.1左右;层深约为1.25 mm。磨损试验结果表明：（TiC+Ti）熔覆层比钛合金基体的耐磨性提高了4倍左右。由于预涂粉层只有Ti和C两种元素，没有生物毒性元素，且硬度提高了3倍左右，因此有望用于医学牙科材料。进一步的工作是把TC4基体钛合金改为（Ti-Nb-Mo）系无生物毒性的钛合金［15］，接着再制备（TiC+Ti）预涂粉的激光熔覆层，成功后再做模拟试验、生物相容性试验和临床试验。

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