鈦合金激光熔覆的幾種熔覆體系

1、關(guān)于鈦合金表面激光熔覆熔覆體系的總結(jié)概況鈦合金表面激光熔覆材料主要包括：自熔性合金材料、復(fù)合材料、陶瓷材料。其中，自熔性合金材料主要有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金三大系列。其主要特點(diǎn)是含有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用的硼元素和硅元素。這類合金在激光熔覆時(shí)，硼和硅被氧化生成氧化物，在熔覆層表面形成薄膜。這種薄膜既能防止合金中的元素被過(guò)度氧化，又能與這些元素的氧化物形成硼硅酸鹽熔渣，從而減少熔覆層中的夾雜物和含氧量，易獲得氧化物含量低、氣孔率少的激光熔覆層。硼和硅還能降低合金的熔點(diǎn)，改善熔體對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕能力，對(duì)合金的流動(dòng)性及表面張力產(chǎn)生有利的影響。自熔合金的硬度隨合金中硼、硅含量的增加而提高。這是由于硼

2、、硅元素與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數(shù)量增加所致。1. 鎳基合金粉末鎳基合金粉末具有良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑作用，主要適用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件，所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高。鎳基合金的合金化原理是運(yùn)用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素進(jìn)行奧氏體固溶強(qiáng)化，運(yùn)用Al、Ti等元素進(jìn)行金屬間化合物沉淀強(qiáng)化,運(yùn)用B、Zr、Co等元素實(shí)現(xiàn)晶界強(qiáng)化。鎳基自熔性合金粉末中各元素的挑選正是基于以上原則來(lái)選擇的，而合金元素添加量則依據(jù)合金成形性能和激光熔覆工藝來(lái)確定。目前，鎳基自熔性合金主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si兩種，前者硬度低，韌性好

3、，易于加工；后者是在Ni-B-Si合金基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)腃r而形成的。Cr能溶于Ni中形成鎳鉻固溶體而增加熔覆層強(qiáng)度，提高熔覆層的抗氧化性和耐蝕性。Cr還能與B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆層的硬度和耐磨性。增加Ni-Cr-B-Si合金中的C、B和Si含量，可使熔覆層硬度從25HRC提高到60HRC左右，但熔覆層的韌性相應(yīng)卻有所下降。這類合金中實(shí)際應(yīng)用較多的是Ni60和Ni45。另外，通過(guò)增加其成分中Ni的含量，可使裂紋率明顯下降。原因在于Ni是一種強(qiáng)擴(kuò)大奧氏體（）相區(qū)元素，增加合金中Ni含量，會(huì)使韌性相增加，從而增加了熔覆層的塑韌性；Ni含量的增加也降低了熔覆層的熱膨脹系數(shù)，從而降低了熔覆層

4、的殘余拉壓力，可顯著減少裂紋率和缺陷的產(chǎn)生。但Ni含量并不是越多越好，過(guò)高的Ni含量將會(huì)損害熔覆層的硬度，使熔覆層達(dá)不到所需性能。2. 鈷基合金粉末鈦合金表面激光熔覆鈷基合金粉末具有良好的高溫性能和耐磨耐蝕性能。目前，激光熔覆用鈷基自熔合金粉末是在Stellite合金的基礎(chǔ)上研制的,合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C，此外添加B和Si增加合金粉末的潤(rùn)濕性以形成自熔合金。但B含量過(guò)多會(huì)增加合金的開裂傾向。鈷基合金具有良好的熱穩(wěn)定性，在熔覆時(shí)很少發(fā)生蒸發(fā)升華和明顯的變質(zhì)；另外，鈷基合金粉末在熔化時(shí)具有很好的潤(rùn)濕性，熔化后在鈦合金表面均勻鋪散，有利于獲得致密性好和光滑平整的熔覆層，提高了熔覆層與

5、基體材料的結(jié)合強(qiáng)度。由于鈷基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W，因此它具有良好的高溫性能和綜合力學(xué)性能。Co與Cr可生成穩(wěn)定的固溶體，由于含碳量較低，基體上彌散分布著亞穩(wěn)態(tài)的Cr C 、MC和WC等各種碳化物以及CrB等硼化物，導(dǎo)致合金具有更高的紅硬性、高溫耐磨性、耐蝕性和抗氧化性。3. 鐵基合金粉末鈦合金表面激光熔覆鐵基合金粉末適用于易變形、要求局部耐磨的零件。其最大優(yōu)點(diǎn)是成本低且抗磨性能好，但熔點(diǎn)高，合金自熔性差，抗氧化性差，流動(dòng)性不好，熔覆層內(nèi)氣孔夾渣較多，這些缺點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用。目前，F(xiàn)e基合金熔覆組織的合金化設(shè)計(jì)主要為Fe-C-X（X為Cr、W、Mo、B等），熔覆層組織主要由亞穩(wěn)相

6、組成，強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化。附表 自熔性合金粉末體系的特點(diǎn)自熔性合金粉末自熔性優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鐵基差成本低抗氧化性差鈷基較好耐高溫性能最好，良好的耐熱震、耐磨耐蝕性能價(jià)格較高鎳基好良好的韌性、耐沖擊性、耐熱性、抗氧化性，較高的耐蝕性能高溫性能較差4. 復(fù)合粉末鈦合金表面在滑動(dòng)、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下，單純的Ni基、Co基、Fe基自熔性合金已不能勝任使用要求，此時(shí)可在上述的自熔性合金粉末中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬陶瓷復(fù)合涂層。其中，碳化物（WC、TiC、SiC等）和氧化物（ZrO 和Al O 等）研究和應(yīng)用最多。陶瓷材料在鈦合金熔體中的行為特征有：完全溶解、部分溶解、微量溶解。其溶解程度主要受陶瓷種類、基體類型控制，其次是激光熔覆的工藝條件。在激光熔覆過(guò)程中熔池在高溫存在的時(shí)間極短，陶瓷顆粒來(lái)不及完全熔化，熔覆層由面心立方的相（Fe、Ni、Co）、未熔陶瓷相顆粒和析出相（如MC、M C 等）組成。激光熔覆層中存在細(xì)晶強(qiáng)化、硬質(zhì)顆粒彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)堆積強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制。實(shí)例(一)通過(guò)在鈦合金表面激光熔覆原位TiC或（TiB