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激光熔覆技术作为近年来表面改性的研究热点，具有基体变形小、效率高、易于基体形成冶金结合等优点[1-2]。TC4合金具有耐热性强、耐腐蚀性好、比强度高等优点，被广泛应用于航空航天、国防、汽车以及海洋等工业领域(发动机零件、凸轮轴、紧固件、阀门等)，但是其减磨性能和硬度较差[3-5]。因此, 利用激光技术改善TC4合金减磨性，提高表面硬度对拓宽其应用范围有重要意义，这也成为了该材料研究领域的热点之一[6-7]。Fe60粉末具有硬度高、耐氧化、成本低以及良好的减磨性等诸多优点[8-10], 又由于激光熔覆过程是一个冶金结合的过程，熔覆层表面难免存在气孔、裂纹等缺陷。因此加入TiO2陶瓷粉末可以有效减少裂纹、气孔等缺陷[11-12]。
YI等人[13]在TC4表面熔覆WC，Ni，Si的涂层，涂层物相主要由α-Ti，Ti5Si3，WC和TiNi组成，涂层硬度可达950HV，平均摩擦因数为0.2。ZHANG等人[14]在TC4表面熔覆Ni60A粉末，耐磨性和力学性能均有提高，硬度提高了近1倍。LIU等人[15]TC4钛合金表面熔覆TiC、TiB2与Ni的混合粉，熔覆层显微硬度最高可达863HV，为基体的2.5倍，熔覆层减磨性能较TC4钛合金明显提高。XIA等人[16]在TC4基体制备添加不同质量分数的TiC的Ni60复合熔覆层，硬度和减磨性均有提高。
近年来，随着我国农业现代化的发展，深松铲的使用正在逐步增多。传统的深松铲材料多是蠕墨铸铁，但因其耐腐蚀性能差，不适用于沿海地区。而TC4具有耐腐蚀性好、比强度度高、综合性能优良，在生产深松铲方面有很大的应用前景[17-19]；但钛合金也存在耐磨性差、硬度低、抗阻尼性差等缺点，对深松铲的使用寿命有很大限制[20]。故作者在TC4表面制备不同比例的Fe60-TiO2复合涂层，探究不同TiO2粉末含量和不同激光功率对涂层形貌和性能变化的影响。在经济和性能方面均有提升，对农业中的农具发展具有一定的参考价值。
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使用TC4板材，尺寸为90mm×50mm×2mm，熔覆Fe60粉末和陶瓷粉末TiO2规格分别为150目~270目、200nm~500nm。TC4板材、Fe60和TiO2粉末质量成分含量如表 1、表 2和表 3所示。
Table 1. Composition of titanium alloy(mass fraction)
type Fe C N H O Al V Ti TC4 ≤0.0030 ≤0.0010 ≤0.0005 ≤0.00015 ≤0.0020 0.055~0.068 0.035~0.045 balance Table 2. Chemical composition of Fe60 powder(mass fraction)
type C Si B Cr Ni Fe Fe60 0.008~0.012 0.010~0.020 0.038~0.042 0.16~0.18 0.090~0.12 balance Table 3. Chemical composition of TiO2 powder(mass fraction)
type Fe Al Ca Mg Cu Mn Co Ni Si Ni K Ti TiO2 0.000005 0.00001 0.00005 0.00003 0.00001 0.00003 0.00001 0.000002 0.000003 0.000002 0.00001 balance -
实验设备(如图 1所示)采用XL-F2000W光纤激光熔覆系统，送粉方式为预置法，铺粉厚度约1mm。熔覆前选用800目、1200目两种不同粒度的砂纸依次打磨基体表面，然后用无水乙醇清洗并烘干，去除表面的杂质。
Figure 1. XL-F2000W fiber laser
为了研究不同工艺参数对多道试样减磨性和硬度的影响，针对不同功率、TiO2粉末含量等工艺参数进行实验；通过前期做了TC4合金单道熔覆试验的相关探究，发现激光功率400W、扫描速率10mm/s、粉末含量5%、离焦量+5mm时，熔覆层表面较好且基体和熔覆层成形良好。因此在进行多道熔覆时，激光功率采用300W~500W，扫描速率10mm/s，离焦量+5mm，多道搭接率45%。采用多组实验进一步探究最优工艺参数，实验方案如表 4所示。图 2所示为激光加工示意图。
Table 4. Multiple groups of experimental tables
number 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# power/W 300 300 300 400 400 400 500 500 500 mass fraction of TiO2 0 0.05 0.1 0 0.05 0.1 0 0.05 0.1 
Figure 2. Diagram of laser processing
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分析涂层截面，熔覆层在金相显微镜下放大25倍的外观形貌如图 3所示，熔覆层宏观形貌如图 4所示。
Figure 3. Microscopic appearance (25×, Fig. 3a~Fig. 3i are in order 1#~9# in Table 3)
Figure 4. Macro topography
从图 3a、图 3b、图 3c和图 4a、图 4b、图 4c可以看出, 熔覆层和基体之间有明显的裂纹，成形效果差。这是因为功率较小，单位面积内基材吸收的热量不足以使粉末完全熔覆所致；图 3d、图 3e、图 3f对比图 3a、图 3b、图 3c熔覆效果较好，随着功率的增加，熔池内的热量增加，熔池内有更多的粉末融合，使得熔覆层与基体结合良好，随着TiO2粉末的增加熔覆层的裂纹明显减少；图 3g、图 3h、图 3i熔覆层效果最好。这是因为随着激光功率不断增大，熔池内的粉末完全融合，表面的裂纹明显减少熔覆层与基体结合良好。
对于同功率不同TiO2粉末含量的情况下，以图 3d、图 3e、图 3f为例，发现图 3d的熔覆效果最差，图 3f的熔覆效果最好；这是因为Fe60与基体TC4的热膨胀系数差异较大引起裂纹。所以在激光熔覆时，在保证所要达到性能的同时，应尽量选择热膨胀系数相同或相近的粉末和基材。
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使用数显显微硬度机(MHVD-1000AT)，选取试样中的3#、6#、9#进行硬度检测，利用硬度测试仪沿多涂层截面进行测试，每个试样分别测试7个点，加载力1.96N、保荷时间10s, 结果如图 5所示。3#试样的平均维氏硬度是645.21HV，6#试样的平均维氏硬度为446.63HV，9#试样的平均维氏硬度为834.07HV。由此可见功率对熔覆层的硬度有很大影响。3#、6#和9#试样的平均维氏硬度依次升高，这说明在一定范围内适量增加功率可以提高熔覆层的硬度；这是因为随着功率的增加，粉末与基体形成良好的冶金结合，熔覆层硬度提高。TC4合金的维氏硬度356.43HV，9#试样熔覆层的表面硬度比基体提高接近2.5倍，很大程度上提高了材料的硬度。
Figure 5. Vickers hardness profile
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从图 6中基材与含有不同TiO2粉末涂层的摩擦系数可以看出，TC4基板的摩擦系数稳定在0.65±0.03；当未添加TiO2粉末(4#)时，此时涂层的摩擦系数在0.5左右浮动；随着涂层中TiO2的质量分数进一步增加，摩擦系数系数明显降低，当添加质量分数为0.05的TiO2粉末(2#)和0.10的TiO2粉末(3#)时，熔覆涂层的摩擦系数显著下降, 分别为0.47±0.05和0.3±0.03，这是因为激光熔覆过程中，熔覆层中的与Fe基粉末充分融合，在摩擦过程中能够TiO2粉末有效的阻止磨粒的显微切削，降低了复合涂层的摩擦系数，提高熔覆层的减摩擦性。
Figure 6. Variation law of friction coefficient of laser cladding sample surface with time
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图 7中给出了不同功率和不同含量的TiO2粉末熔覆后涂层的X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)图谱。从涂层1#、7#中Ti化合物的衍射峰对比可以看出，随着功率的增加，未添加TiO2的7#涂层生成了更多的Ti化合物，这是由于过小的激光功率导致1#涂层生成的Ti化合物较少，而7#涂层生成了更多的Ti化合物；从涂层7#、8#中Ti化合物的衍射峰可以看出，在同功率的情况下，TiO2粉末含量增加致使8#涂层生成了更多的Ti化合物；涂层3#、6#和9#在加入质量分数为0.10的TiO2后，只有6#生成了Ti化合物。对比分析可知，不同功率和不同摩尔比粉末对熔覆后涂层Ti化合物的含量都有影响。在TiO2粉末含量一定的时，随着激光功率的的增加，有助于熔覆层Ti化合物的形成，但过大的激光功率会抑制Ti化合物的形成；在同功率情况下，例如功率400W时，添加质量分数为0.05的TiO2所产生的Ti化合物较添加0和0.10更多。
Figure 7. XRD patterns of each coating after laser cladding
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通过多组实验，在TC4板表面熔覆多道Fe60-TiO2复合涂层，对不同功率和不同TiO2粉末的熔覆层进行了宏观形貌、表面维氏硬度和减磨性的分析。
(1) 在进行激光熔覆实验时，激光功率过低，熔覆层和基体之间有明显的裂纹，成形效果差；在一定范围内，随着功率增加熔池内的热量增加，熔池内有更多的粉末融合，使得熔覆层与基体结合良好。在同功率下随着TiO2粉末的增加熔覆层的裂纹明显减少。
(2) 一定范围内适当增加激光功率可以提高熔覆层的硬度，在激光功率为500W时熔覆层的硬度增大到基体的2.5倍左右。
(3) 在一定范围内，随着TiO2粉末质量分数的增加，涂层的摩擦系数降低，减磨性提高。
(4) 不同激光功率和不同TiO2粉末质量分数对熔覆后涂层Ti化合物的质量分数都有影响。在TiO2粉末质量分数一定的情况下，激光功率的增加有助于熔覆层Ti化合物的形成，但过大的激光功率会抑制Ti化合物的形成；在激光功率相同的情况下，添加质量分数为0.05的TiO2所产生的Ti化合物较添加质量分数为0和0.10更多。
TC4表面激光熔覆Fe60-TiO2涂层性能研究
Study on the properties of laser cladding Fe60-TiO2 coating on TC4 surface
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摘要: 为了提高TC4合金表面的硬度和减磨性、优化工艺参数, 采用多组工艺参数(不同功率、不同TiO2粉末含量)在TC4板表面制备不同比例的Fe60-TiO2复合涂层, 分析了熔覆层宏观形貌、表面维氏硬度和减磨性。结果表明, 当激光功率为500W、TiO2质量分数为0.10时, 熔覆层表面较平整; 通过X射线衍射分析熔覆层生成较多Ti化合物, 这些Ti化合物对提高熔覆层硬度和减磨性非常有利; 熔覆层硬度比基体提高了约2.5倍; 摩擦系数较基体相比有所降低, 熔覆层的平均摩擦系数约为0.46。此研究结果对TC4钛合金表面熔覆Fe基复合涂层的硬度和减磨性工艺参数有一定指导作用。Abstract: In order to improve the surface hardness and wear reduction of TC4 alloy, Fe60-TiO2 composite coatings with different proportions were prepared on the surface of TC4 plate by using several groups of process parameters (different power and different TiO2 powder content). The macroscopic morphology, surface Vickers hardness, and wear reduction property of the cladding layer were analyzed. The results show that when the laser power is 500W and the mass fraction of TiO2 is 0.10, the surface of the cladding layer is smooth. According to the X-ray diffraction analysis, many Ti compounds are formed in the cladding layer, which is very beneficial to improve the hardness and wear reduction of the cladding layer. The hardness of the cladding layer is about 2.5 times higher than that of the substrate. The average friction coefficient of the cladding layer is about 0.46. The results have a certain guiding effect on the hardness and wear reduction process parameters of Fe based composite coating on TC4 titanium alloy surface.
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Key words:
- laser technique /
- antifriction sex /
- hardness /
- TC4 titanium alloy
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Figure 6. Variation law of friction coefficient of laser cladding sample surface with time
Table 1. Composition of titanium alloy(mass fraction)
type Fe C N H O Al V Ti TC4 ≤0.0030 ≤0.0010 ≤0.0005 ≤0.00015 ≤0.0020 0.055~0.068 0.035~0.045 balance 
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Table 2. Chemical composition of Fe60 powder(mass fraction)
type C Si B Cr Ni Fe Fe60 0.008~0.012 0.010~0.020 0.038~0.042 0.16~0.18 0.090~0.12 balance
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Table 3. Chemical composition of TiO2 powder(mass fraction)
type Fe Al Ca Mg Cu Mn Co Ni Si Ni K Ti TiO2 0.000005 0.00001 0.00005 0.00003 0.00001 0.00003 0.00001 0.000002 0.000003 0.000002 0.00001 balance
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Table 4. Multiple groups of experimental tables
number 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# power/W 300 300 300 400 400 400 500 500 500 mass fraction of TiO2 0 0.05 0.1 0 0.05 0.1 0 0.05 0.1
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图(7) / 表(4)
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