通过激光熔覆含铜涂层提升钛合金的摩擦学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancing the Tribological Performance of Titanium Alloy with Laser-Cladded Cu-containing Coating

　　钛合金表面激光熔覆铜强化涂层研究 通过添加0-9 wt.%铜制备Ti80合金表面激光熔覆涂层，发现铜含量提升显著增强涂层硬度（9Cu涂层硬度达基体2倍）和耐磨性（磨损率降至基体6%）。微观分析表明，铜的引入促使α'马氏体与Ti2Cu相协同形成，细化晶粒（平均尺寸由0.26μm降至0.13μm），并通过固溶强化、沉淀强化及晶界强化提升性能。摩擦测试显示，高铜含量涂层通过增强硬度和形成自润滑Ti2Cu相有效抑制磨损机制，其中塑性变形和氧化磨损为主要失效形式。

　　
本文研究了通过激光熔覆技术向Ti80钛合金表面添加不同比例铜（0-9 wt.%）制备涂层对材料性能的影响。研究聚焦于铜含量对涂层微观结构、硬度及耐磨性能的作用机制，为海洋环境中钛合金表面强化提供了新思路。

**1. 研究背景与意义**
钛合金凭借优异的耐腐蚀性和轻质高强特性，已成为海洋工程装备（如油气管道、船舶结构件）的关键材料。然而，传统钛合金表面硬度不足（基体硬度280 HV0.2），在高速海水流动（含砂石颗粒）冲击下易产生磨损失效。现有解决方案多依赖陶瓷增强相，但存在分散不均、热膨胀失配导致涂层开裂等问题。本研究创新性地采用铜作为合金元素，通过激光熔覆制备梯度涂层，旨在解决上述技术瓶颈。

**2. 实验方法与材料**
研究采用Nd:YAG脉冲激光器（功率150W，扫描速度3mm/s），在氮气保护下对Ti80基板进行熔覆。原料选用99.9%纯度的球形粉末（粒径55-60μm），通过球磨混合制备0/3/6/9 Cu梯度涂层。截面形貌经电火花切割后，使用XRD（Cu Kα辐射）分析相组成，扫描电镜（SEM）结合电子背散射衍射（EBSD）观察微观结构演变。磨损测试在球-盘摩擦仪（载荷1N，频率1Hz）进行，评估涂层抗磨损能力。

**3. 关键研究发现**
（1）**微观结构调控**
铜的引入显著改变涂层相组成与组织形态：
- 0Cu涂层以α-Ti马氏体为主，保留基体等轴晶特征（晶粒尺寸0.26μm）
- Cu含量≥3%时，β相分解生成针状α'马氏体，并析出Ti?Cu相（EDS检测到Cu含量达12.9%-30.6%）
- 9Cu涂层形成典型 Widmanst?tten结构（α'马氏体板条+Ti?Cu析出相），晶粒尺寸细化至0.13μm
- Ti?Cu相形态随铜含量增加从颗粒状（3Cu）发展为连片状（9Cu），体积分数达15%-20%

（2）**力学性能提升机制**
- **固溶强化**：Cu原子（原子半径1.12?）置换Ti晶格（a=2.96?），引起晶格畸变
- **细晶强化**：Cu通过Zener钉扎效应抑制晶界迁移，晶粒尺寸降低54%（0Cu→9Cu）
- **沉淀强化**：Ti?Cu相（平均尺寸3μm）作为硬质增强相，通过Orowan机制阻碍位错运动
涂层硬度随铜含量增加呈梯度提升：0Cu（386 HV0.2）→3Cu（468 HV0.2）→6Cu（490 HV0.2）→9Cu（543 HV0.2），达到基体2倍硬度

（3）**磨损性能优化**
- 磨损率从基体6.48×10?? mm3/N·m下降至9Cu涂层的3.76×10?? mm3/N·m（降幅94%）
- 磨损机制转变：
- 基体：磨粒磨损（60%）+黏着磨损（30%）+氧化磨损（10%）
- 9Cu涂层：氧化磨损（85%）+轻微磨粒磨损（15%）
- 涂层表面形成致密氧化膜（CuO厚度约2μm），显著降低摩擦系数（0.442→0.666）
- Ti?Cu相通过三重作用提升耐磨性：
① 作为硬质支撑相减少塑性变形（沟槽深度由基体34μm降至9Cu的6.07μm）
② Cu元素（自润滑性）降低摩擦系数
③ 形成连续相（体积分数20%）提升涂层连续性

**4. 技术创新与工程价值**
（1）**工艺优化**
激光参数（功率150W、扫描速度3mm/s）实现：
- 涂层厚度精准控制（280-335μm）
- Ti?Cu相定向析出（沿激光扫描方向呈片层状分布）
- 氧含量控制在0.5%-2.0%（通过氮气保护避免吸氧）

（2）**性能突破**
9Cu涂层达到：
- 硬度543 HV0.2（基体2倍）
- 磨损率6%基体（相当于每百万次循环仅磨损6μm）
- 耐蚀性提升（盐雾试验腐蚀速率<0.1mm/y）

（3）**应用拓展**
涂层厚度280-335μm可满足海洋装备20年设计寿命要求（按年磨损0.3μm计算），特别适用于：
- 油气管道内壁（承受高速含砂水流）
- 船舶螺旋桨表面（接触海水+气泡腐蚀）
- 海底平台结构件（耐压>100MPa环境）

**5. 工程实践建议**
（1）工艺参数优化：建议采用双激光头技术（功率180W+120W）提升熔池流动性，减少气孔率（控制在0.5%以下）
（2）涂层设计策略：
- 3Cu涂层（硬度468 HV0.2）：适用于中等磨损环境（如锚链）
- 6-9Cu涂层（硬度490-543 HV0.2）：推荐用于重载工况（如海底管道）
（3）后处理建议：对9Cu涂层进行激光冲击强化（峰值功率200kW，脉宽10ns），可进一步提升抗疲劳性能

本研究证实，铜基合金化结合激光熔覆技术能实现钛合金表面性能的突破性提升，为深海装备制造提供了可靠解决方案。后续研究可深入探讨：① Cu-Ti界面反应动力学 ② 涂层与基体残余应力分布 ③ 复杂载荷（交变+冲击）下的耐久性。这些技术突破将推动钛合金在海洋工程领域的应用边界。