摘 要: 采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在 Ti-6Al-4V 基体上制备了 Al2O3-TiO2涂层，通过 X 射线衍射( XＲD) 、扫描电镜( SEM) 、显微硬度试验和压痕试验等方法研究了激光重熔对涂层的组织及强韧性能的影响． 结果表明，等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层中的主相为 γ-Al2O3，而相应重熔涂层中的主相为 α-Al2O3． 激光重熔可消除喷涂态涂层内部的孔隙、微裂纹和层状堆垛等微观缺陷，获得致密化的组织，并使涂层与基体形成良好冶金结合． 重熔涂层的硬度比相应喷涂态涂层约提高了 50%，裂纹扩展抗力相比喷涂态涂层提高了近两倍． 激光重熔纳米涂层中的未熔增强颗粒和纳米结构特性等对涂层起到了协同强化和韧化作用．
关键词: 钛合金; 纳米涂层; 激光重熔; 强韧化
0 序 言
钛合金具有比强度高、耐蚀性好等优点，作为高强轻质材料在航空航天、石油化工等领域已获广泛应用，但钛合金表面硬度低、耐磨性差［1］． 采用表面工程技术在钛合金表面制备防护涂层，可在保证其基材高比强度特性的同时提升较差的表面性能，符合绿色制造、低碳经济和可持续发展的新要求．高性能陶瓷涂层因其优异的耐磨、耐蚀和耐热性能备受关注． 其中，Al2O3-TiO2涂层是应用最为广泛的复合陶瓷涂层之一． 在众多制备方法中，等离子喷涂的焰流温度高且速度快，非常适用于制备此类涂层［2］． 然而，等离子喷涂涂层与基体间较弱的机械结合以及涂层内部的孔隙和微裂纹等缺陷限制了其工程应用［3］，采用高能激光束对喷涂态涂层进行重熔处理，可在基材表面形成一层致密度高、与基体形成冶金结合的重熔涂层，从而显著提升其使用性能［4］． 随着纳米科技的发展，人们发现显微组织纳米化可赋予材料许多新奇而优异的性能，纳米陶瓷涂层应运而生． 纳米 Al2O3-TiO2涂层的研究及其应用［5］符合复合化、高强度、长寿命和高可靠性的发展方向，可取代结合强度低、韧性不足的同类常规涂层． 文中在 Ti-6Al-4V 合金表面通过等离子喷涂和激光重熔复合技术制备了纳米结构 Al2O3-TiO2复合涂层，重点研究激光重熔和涂层体系纳米化在改善涂层组织结构和强韧性能方面的作用．
1 试验方法
基体材料为 Ti-6Al-4V 合金板，主要成分( 质量分数，%) 为 Al 6． 00，V 4． 30，Fe 0． 30，Si 0． 10，C0. 10，O 0． 15，余量为 Ti． 采用两种类型的喂料进行等离子喷涂，一种是商用微米 Metco 130 喂料，其成分为 Al2O3-TiO2，另一种是纳米 Al2O3-TiO2喂料，其中添加了适量的 ZrO2和 CeO2． 喷涂前，通过球磨混粉、喷雾干燥、热处理及等离子处理等再造粒工艺将纳米原料粉制备成粒径为 20 ～ 50 μm 的可喷涂喂料，喷涂试验采用 Sulzer Metco 9M 等离子喷涂系统，具体工艺参数见文献［6］． 激光重熔试验在 DL-HL-T5000 型 5 kW 横流 CO2激光器上进行，重熔过程中采用氩气保护，具体工艺参数为: 激光功率 600～ 1 200 W，光斑直径 3． 5 mm，扫描速度 600 ～ 1 400mm /min． 两种激光重熔涂层分别记为 C-LＲmC ( 微米) 和 N-LＲmC ( 纳米) ．
2． 2 涂层的微观组织
图 1 所示为激光重熔后微米和纳米 Al2O3-TiO2重熔涂层的内部组织形貌． 由图 1 可知，重熔涂层内部组织均匀致密． 对于微米重熔涂层，涂层内部分布着一些长条状的未熔颗粒． 而纳米重熔涂层内部表现出显著的双模态组织特征，即涂层由完全熔化的熔凝组织和未熔颗粒组成［6］，形状近似球形的未熔颗粒较均匀地分布在涂层中，充当增强相的作用．图2 所示为激光重熔前后纳米 Al2O3-TiO2涂层的界面结合． 喷涂态涂层与基体间为典型的机械结合，而重熔涂层与基体间形成了冶金结合，结合界面均匀一致，消除了界面处的孔隙和微裂纹等缺陷．此外，喷涂态涂层表现出固有的层状堆垛特征，内部伴有孔隙和微裂纹． 利用高能激光束对涂层进行瞬时快速熔凝，可使其内部组织致密化．
2． 3 涂层的硬度
图 3 为 Al2O3-TiO2重熔涂层的硬度曲线． 当保持其它工艺条件不变，随着功率由 600 W 增加至1 200 W 时，微米重熔涂层的平均硬度约由 10． 3GPa 增加至 11 GPa，而纳米重熔涂层的平均硬度则约由 12． 2 GPa 增加至 15． 3 GPa． 亦即，激光能量密度增大时，两种重熔涂层的硬度都逐渐增大． 同等激光工艺条件下，纳米重熔涂层的硬度明显高于微米重熔涂层． 此外，喷涂态 Al2O3-TiO2涂层的硬度大致处于 7 ～10 GPa 的范围，相比之下，激光重熔涂层的硬度比相应喷涂态涂层约提高了 50%．
2． 4 涂层的裂纹扩展抗力
采用平行于涂层与基体界面的两个压痕尖端处的裂纹长度的平均值作为评价参考值，将其取倒数便可得到涂层的裂纹扩展抗力． 图 4 为 Al2O3-TiO2涂层的裂纹扩展抗力． 由图 4 可知，激光重熔涂层的裂纹扩展抗力相比喷涂态涂层提高了近两倍，这主要源自于涂层致密度的改善，有效消除了对涂层的抗裂纹扩展能力影响极大的孔隙和微裂纹等缺陷．
纳米结构 Al2O3-TiO2涂层的裂纹扩展抗力高于相应的微米结构喷涂层，这是由于纳米涂层晶粒较为细小，其致密度也更高． 涂层的纳米化所引起的组织结构改善最终赋予其更优异的性能．
2． 5 激光重熔纳米涂层的强韧化机理
对等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层进行激光重熔后，由于显微组织的致密化和均匀化，重熔涂层的强度和韧性都得到了大幅提高． 相比于微米重熔涂层，纳米重熔涂层又由于其独特的组织结构特点而表现出更为优异的强韧性能，这主要归因于激光重熔纳米涂层中的未熔增强颗粒和纳米结构特性等起到了协同强化和韧化作用．
图5 所示为激光重熔纳米 Al2O3-TiO2涂层中的裂纹扩展． 在压痕尖端所产生的裂纹在扩展进入未熔颗粒中后，很快便终止于未熔颗粒中． 重熔涂层中的这些未熔颗粒，可有效阻止裂纹的扩展． 且当裂纹扩展到未熔颗粒内部之后，其扩展路径呈弯曲状，从而最大限度地消耗裂纹能量． 此外，陶瓷涂层纳米化可减小孔隙和微裂纹，进一步提高了致密度和组织均匀性，促进了涂层强度和韧性的提升．
涂层内部应力场也可起到增韧作用． 由于纳米Al2O3-TiO2涂层同时包含未熔颗粒和熔凝组织，导致在涂层中形成残余应力． 当裂纹扩展进入残余应力区时，裂纹扩展途径将发生改变，从而提高裂纹扩展的阻力，有效地吸收和消耗能量，因此可提高材料的韧性［7］． 图 6 所示为激光重熔纳米 Al2O3-TiO2涂层中的裂纹在扩展过程中发生了弯曲和分支． 由于重熔涂层内部不存在疏松层状结构，因而裂纹不会像喷涂态涂层中那样倾向于沿着片层界面扩展． 裂纹在扩展过程中的弯曲和分支，不仅增大了扩展路径，从而减小驱动力，增加新生裂纹表面区域，又可改变裂纹前端的形状，从而极大地消耗裂纹扩展过程中的能量［8］，从而提高涂层的韧性．稀土元素适于用作表面活性元素，可改善Al2O3复合陶瓷的润湿性能、净化相界面，并能够提高晶界的强度，从而降低孔隙率，提高其整体强度和韧性［9，10］． 文中在纳米结构喂料中加入了纳米 CeO2对涂层进行改性，稀土添加剂的加入对于提高涂层的致密度、弱化枝晶、改善组织均匀性等也起到了重要作用．
3 结 论
( 1) 激光重熔可消除等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层内部的微观缺陷，获得致密化的组织，并使涂层与基体形成良好冶金结合．
( 2) 激光重熔涂层的硬度比相应喷涂态涂层约提高了 50%． 同等工艺条件下，纳米重熔涂层的硬度明显高于微米重熔涂层． 随着激光能量密度增大，两种重熔涂层的硬度都逐渐增大． 此外，重熔涂层的裂纹扩展抗力比喷涂态涂层提高了近两倍．
( 3) 激光重熔纳米涂层中的未熔增强颗粒和纳米结构特性等对涂层起到了协同强化和韧化作用．
参考文献略
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