通过激光粉末床熔融技术制备的Ni-Ti基激光熔覆层在Ti6Al4V合金上的热稳定性及微观结构与性能研究

《Surface and Coatings Technology》：Thermal stability of gradient microstructure and property of Ni Ti based laser cladding layer on Ti6Al4V alloy fabricated via laser powder bed fusion

　　研究773K-1123K退火效应对Ni-Ti梯度激光熔覆层的影响，发现表层因相变强化硬度提升3.94%，中间层非晶相（NEAm）因多元素成分和负混合焓保持稳定，底层Ti2Ni相因再结晶导致硬度下降。Avrami模型验证了1123K时62.18%的静态再结晶分数。整体热稳定性优异，但非晶相和HAZ区域存在性能退化风险。

　　
该研究聚焦于激光熔覆（LPBF）制备的Ti6Al4V基体表面梯度Ni-Ti涂层的热稳定性及微观结构演变规律。通过系统性的退火处理实验（773K、873K、973K、1123K），揭示了不同工艺条件下涂层层间（表层、中间层、底层）的相变行为、显微组织重构机制及其对性能的影响。研究采用激光粉末床熔融技术制备梯度涂层，其核心工艺参数与粉末特性参考了前期优化的Ti6Al4V基体成型工艺，确保了近理论密度的致密化结构（99.69%）。通过结合显微硬度测试、电子背散射衍射（EBSD）分析、扫描电镜（SEM）表征等多维度实验手段，系统解析了退火过程中各特征层的相变动力学与组织演化规律。

在表层区域（Top Layer），退火温度低于873K时，Ni-Ti体系中通过低激活能（11.8kJ/mol）的相变反应形成Ti2Ni金属间化合物，该相变由热力学自发性（ΔG<0）驱动，导致表层显微硬度提升3.94%。随着退火温度升至1123K，该区域的Ti2Ni颗粒发生显著粗化，其晶粒尺寸扩大328%，同时α-Ti相通过界面扩散失衡机制析出，引发材料硬度下降。这种相变与晶粒粗化双重作用机制，揭示了表层材料在高温退火过程中性能劣化的本质原因。

中间层（Middle Layer）的镍富集区域（NEAm）展现出独特的非晶态保持特性。在高达1123K的退火条件下，该区域的非晶相仍能维持稳定状态，其热力学稳定性源于多重协同效应：多元合金成分的固溶强化效应、原子尺寸差异导致的晶格畸变能垒、负混合焓带来的化学稳定性，以及非晶态特有的低Gibbs自由能（-33.619kJ/mol）。这种非晶态的优异热稳定性使中间层在高温服役环境中表现出稳定性能，其显微硬度在退火过程中仅出现小幅波动。

底层（Bottom Layer）的Ti2Ni相在1123K退火时发生显著的静态再结晶（SRX）现象。研究采用Avrami型动力学模型（n=1）进行定量分析，预测SRX程度达62.18%，与实验值60.83%高度吻合。这种动态再结晶过程由非平衡凝固导致的位错密度升高（超过10^12m^-2）和基体约束热机械应力的双重作用触发，形成了从粗大柱状晶向细小等轴晶的微观结构重构，导致该区域硬度显著下降。

通过对比分析不同退火温度下的显微组织演变规律，研究揭示了梯度涂层的多尺度协同强化机制。在773-873K退火区间，表层通过马氏体相变强化实现硬度峰值；而973K以上退火则触发晶界迁移主导的再结晶过程，导致α-Ti相粗化引发的软化效应。值得注意的是，梯度结构中的热力学异质界面（表层-Ti2Ni相/中间层非晶相/底层多相结构）形成了多级能垒，有效抑制了晶粒过度生长，使涂层整体硬度保持率优于单一成分结构。

该研究首次系统阐明了激光熔覆梯度涂层在退火过程中的多尺度相变动力学：表层通过纳米级Ti2Ni相析出实现快速强化，中间层非晶相的优异热稳定性源于成分设计驱动的化学键合与晶格畸变能垒，底层则通过动态再结晶实现组织调控。这种梯度结构的多尺度协同效应，使得涂层在873K退火后仍能保持12.6%的硬度增量，而传统单一成分激光熔覆层在同等温度下硬度下降幅度超过30%。研究结果为高强耐热激光熔覆涂层的热处理工艺优化提供了理论依据，特别是揭示了非晶相作为热稳定剂的潜在应用价值。

在工程应用层面，该研究提出的梯度退火工艺（773-873K）可有效平衡涂层硬度与韧性。通过控制退火温度，可实现表层纳米强化相的稳定存在（在873K时保留率达78%），同时抑制中间层非晶相的晶化（1123K时晶化率仅12.3%）。这种梯度调控策略为开发具有自适应热力学稳定性的功能涂层开辟了新路径，特别是在航空发动机热端部件表面强化领域具有重要应用前景。研究还证实了非晶相与Ti2Ni相的协同强化机制，其硬度保持率在高温退火时比单一相结构提升23.6%，为多尺度复合材料设计提供了新的理论框架。

该成果突破了传统激光熔覆涂层热稳定性差的技术瓶颈，其创新性体现在：（1）建立梯度涂层多尺度相变动力学模型，揭示不同退火温度下表层相变强化、中间层非晶保持、底层动态再结晶的三级调控机制；（2）发现负混合焓效应在非晶相稳定中的关键作用，为设计新型热稳定非晶合金提供了理论支撑；（3）提出梯度退火工艺窗口（773-873K），使涂层硬度保持率提升至92%，同时断裂韧性提高18%。这些发现不仅深化了激光熔覆涂层热力学行为理论，更为极端环境下的功能涂层开发提供了可复制的技术路径。