TC4钛合金属于（α+β）型钛合金，由于具有比强度高、热导率低、弹性模量小、耐高温、组织稳定性好等特点，在航空航天（飞机结构件、发动机零部件）、生物医疗（如人工关节）、机械船舶（如螺旋桨等）和交通运输（如发动机零部件）等领域有着广泛应用［1］。然而，当将TC4钛合金应用于高温、高压和高速旋转环境下的汽轮机叶片等领域时，其表面腐蚀和磨损失效问题较为突出，由此来带的停机事故占总体事故率高达65%以上，亟需对其进行表面改性处理，以提升基体钛合金的耐磨性和耐蚀性［2-4］，其中，采用热喷涂、激光熔覆、离子注入和气相沉积等表面改性技术可以在钛合金表面制备镍基涂层等［5-7］，在不改变原有钛合金基体既有物理性能的基础上提升其表面硬度、耐蚀和耐磨性能等，更好地满足复杂工况环境下的使用需求。但是，热喷涂、离子注入等技术在钛合金表面制备镍基涂层存在与基体结合力差、易于造成环境污染等问题［8-9］，而激光熔覆虽可制备与基体结合良好的镍基涂层，但在制备涂层过程中控制的工艺参数较多，需要克服工艺参数稳定性不足等问题［10］。本文在激光熔覆设备中嵌入校企联合开发的可编程逻辑控制器（PLC）系统以提高加工精度和稳定性，并考察激光功率对激光熔覆复合涂层（Ni60+3wt.%Ce2O3）截面形貌、显微组织、物相组成和耐蚀耐磨等性能的影响，以期制备出成形质量良好、高耐蚀耐磨的激光熔覆镍基涂层，为钛合金表面激光熔覆涂层制备及其推广应用提供技术支撑。
1、材料与方法
1.1 实验材料
试验原料包括TC4钛合金基材、激光熔覆用（Ni60+3wt.%Ce2O3）复合粉末。TC4钛合金的化学组成（质量分数，wt.%）为6.02Al、3.98V、0.10C、0.27Fe、0.01N，余量为Ti。激光熔覆用Ni60粉末（类球形）和Ce2O3粉末（颗粒状）的扫描电镜显微形貌如图1，在PM-500K型行星式球磨机上制备（Ni60+3wt.%Ce2O3）复合粉末。
1.2 激光熔覆涂层
将钛合金加工成120mm×120mm×8mm，表面经过喷砂、酒精超声清洗和烘干后进行表面激光熔覆，加工示意图如图2所示；其中，JM-HGL1000型激光熔覆设备中嵌入校企联合开发的PLC控制系统以提高加工精度和稳定性。在激光熔覆过程中，通过PLC控制系统控制同轴送粉模式下的激光熔覆工艺参数，主要包括激光扫描速度12mm/s、光斑直径4mm、送粉速率16g/min，激光功率控制在1100W~2300W（间隔300W），保护气为高纯氩气。
1.3 测试与表征
采用线切割方法垂直于熔覆方向加工涂层试样，打磨、抛光和腐蚀（氢氟酸、硝酸和水按5∶10∶85的体积百分比配制腐蚀液）后观察截面形貌和显微组织，截面形貌和显微组织分别采用GX51型光学显微镜和IT500型扫描电子显微镜（附带OxfordUltmiMax1能谱仪）进行观察，并测量涂层几何参数；物相组成采用D8ADVANCE型X射线衍射仪进行，Cu靶材Kα辐射、扫描速度2°/min、电压35kV、电流40mA；显微硬度测试采用Tukon2500全自动维氏硬度计进行，载荷和保持载荷时间分别为0.1N和10s；球-盘往复干摩擦磨损性能测试采用RtecSRV型摩擦磨损试验机进行，记录摩擦系数并计算磨损率［11］，摩擦副为直径9.5mm的氮化硅球、载荷30N、摩擦时间900s、移动距离和频率分别为6mm和15Hz，测试温度为室温；采用PARSTAT4000电化学工作站在室温下对基体和涂层试样（工作面积10mm×10mm）进行电化学性能测试，极化曲线和电化学阻抗谱采用标准三电极体系［12］，腐蚀介质为3.5wt.%NaCl溶液，扫描速度为1mV/s、阻抗频率为0.01Hz~100000Hz。
2、试验结果与分析
2.1 显微形貌和物相组成
图3为激光功率为1100W~2300W时激光熔覆涂层截面形貌。当激光功率为1100W时，熔覆涂层中可见明显裂纹（如图中箭头所示），这主要是因为在较低的激光功率下，激光热输入较小，造成熔池温度低、流动性差，局部还可能存在熔覆粉末无法完全熔化的现象［13］，并在凝固过程中产生裂纹缺陷；升高激光功率至1400W~2000W，激光热输入增加使得熔池温度升高，流动性提升的同时增加了润湿性，涂层成形质量较好，未见异常气孔、裂纹等缺陷存在；如果继续增加激光功率至2300W，激光熔覆涂层上表层区域出现孔隙缺陷（如图中箭头所示），这主要是因为此时激光热输入较大，熔池温度高而在表层区域存在较大过冷度，表层区域作为热源出口产生了非均匀性流动，容易在涂层表层出现孔隙等缺陷［14］。
表1为激光功率为1100W~2300W时激光熔覆涂层的宽度D、高度H、深度h和稀释率η统计结果，几何参数的示意图如图2（b）所示。其中，稀释率用式（1）计算［15］：
式中：F1和F2分别为熔覆涂层上下表面面积。当激光功率从1100W增加至2300W时，D从4.23mm增加至5.01mm、H从0.37mm增加至0.60mm、h从0.33mm增加至1.38mm、η从45.94%增加至72.27%，可见，D、H、h和η都会随着激光功率增加而增大。这主要是因为激光功率的增加会提高激光热输入，涂层与基体可以更加充分的熔合并使得溶体向两侧和底部扩展，D、H、h增加的同时基体会有更多的熔化而增加了涂层稀释率［16］。
图4为不同激光功率下激光熔覆涂层的X射线衍射分析结果。可见，激光功率为1100W、2000W和2300W时，激光熔覆涂层都主要由α-Ti、TiNi、Ti2Ni、TiB2、TiC和Ce2O3相组成，激光功率的变化不会改变激光熔覆涂层的物相组成。其中，TiB2、TiC等硬质相是Ni60/CeO2粉末和基体材料在激光热输入作用下熔化并在熔池中发生化学反应形成［17］，可以增强涂层的硬度和耐磨性。进一步观察典型激光熔覆涂层非裂纹和孔隙区域的显微组织，结果如图5所示。可见，不同激光功率下的激光熔覆涂层中存在颜色不同、尺寸不等、形状不规则的第二相，熔覆涂层内部未见明显孔洞或者裂纹等缺陷。对不同激光功率下涂层的微区进行能谱分析，能谱分析结合XRD图谱测试结果可知，激光熔覆涂层中第二相主要包括黑色块状TiB2相、亮白色颗粒状Ce2O3相、灰色颗粒状TiC相、浅灰色TiNi相和深灰色Ti2Ni相，如图中箭头所示。此外，由于较低激光功率下（1100W）的热输入较小，熔池流动性不足，造成组织均匀性较差；而提升激光功率会使得热输入增加，熔池温度升高，同时流动性增大，组织均匀性相对更好；继续增加激光功率至2300W时，过高的激光热输入会使得熔池在高温下停留的时间更长，涂层中第二相会发生粗化和长大［18］。
2.2 硬度和耐磨性
图6为基体和激光熔覆涂层的显微硬度测试结果。可见，不同激光功率下激光熔覆涂层显微硬度（935.61HV~1064.29HV）都高于基体（303.24HV）；激光功率从1100W增加至2300W时，激光熔覆涂层的显微硬度先增大后减小，最大值（1064.29HV）出现在激光功率为2000W时。这主要是因为激光熔覆涂层中含有TiC、TiB2和Ce2O3等陶瓷硬质增强相，从而使得涂层硬度高于基体，且当激光功率从1100W增加至2000W，熔池温度升高改善了熔覆涂层成形质量，涂层中可以形成更多的硬质相，显微硬度会相应提高；但是如果激光功率过大（2300W），熔覆涂层表层出现了孔隙等缺陷，高温下晶粒尺寸和硬质相也会发生一定程度长大，熔覆涂层硬度会有所降低［19］。图7为基体和激光熔覆涂层的摩擦系数和磨损率测试结果。由摩擦系数曲线可见，激光熔覆涂层在稳定阶段的平均摩擦系数都要小于基体材料，且当激光功率从1100W增加至2300W，激光熔覆涂层平均摩擦系数整体表现为先减小后增大，平均摩擦系数在激光功率为2000W时取得最小值；由磨损率测试结果可见，基体材料的磨损率为4.17×10-5mm3（/N·m），激光熔覆涂层磨损率都明显小于基体材料，且当激光功率从1100W增加至2300W，激光熔覆涂层的磨损率先减小后增大，磨损率最小值（0.38×10-5mm3（/N·m））出现在激光功率为2000W时。这主要是因为激光熔覆涂层中含有TiC、TiB2和Ce2O3等陶瓷硬质增强相，在摩擦磨损过程中可以起到支撑作用，并有效抵抗接触应力，提高抗磨性［20］；但是如果激光功率过大，熔覆涂层中出现孔隙等缺陷，涂层的耐磨性反而会降低。
2.3 耐蚀性
图8为基体和激光熔覆涂层的极化曲线和电化学阻抗谱，表2为电化学参数腐蚀电位（Ecorr）、腐蚀电流密度（Jcorr）、溶液电阻（Rs）、电荷转移电阻（Rct）和钝化膜电阻（Rf）的拟合结果。基体材料的Ecorr、Jcorr、Rs、Rct和Rf分别为‒0.858V、9.900×10-7A·cm-2、34.28Ω·cm2、3.662×102Ω·cm2和10.77×10-5Ω·cm2。对于激光熔覆涂层而言，极化曲线中可见涂层的腐蚀电位都相较于基体材料发生了正向移动，腐蚀电流密度有不同程度减小，且当激光功率从1100W增加至2300W时，腐蚀电位先正向移动而后负向移动、腐蚀电流密度先减小后增大，在激光功率为2000W时涂层的腐蚀电位最正、腐蚀电流密度最小。腐蚀热力学参数腐蚀电位越正表示腐蚀倾向越小、动力学参数腐蚀电流密度越小表示腐蚀速率越慢［21］；由电化学阻抗谱可见，激光熔覆涂层的容抗弧半径高于基体、电荷转移电阻高于基体2个数量级以上、钝化膜电阻都高于基体，而容抗弧半径越大则表示材料腐蚀阻力越大、Rct越大则表示腐蚀反应过程中电荷转移速度越慢、Rf越大则表示钝化膜越厚［22］。因此，激光熔覆涂层在电化学腐蚀过程中可以更好地抑制电荷转移并形成更厚的钝化膜，有效减缓腐蚀反应的发生，且随着激光功率从1100W增加至2300W，Rct和Rf都表现为先增后减趋势，即激光熔覆涂层的耐蚀性会随着激光功率增加先增大后减小，在激光功率为2000W时取得最佳耐蚀性能，这与极化曲线测试结果保持一致。
3、结论
（1）激光功率为1100W时熔覆涂层中可见裂纹；升高激光功率至1400W~2000W，激光熔覆涂层成形质量较好，未见异常气孔、裂纹等缺陷存在；继续增加激光功率至2300W，激光熔覆涂层上表层区域出现孔隙缺陷。当激光功率从1100W增加至2300W，激光熔覆涂层的D、H、h和η都会随着激光功率增加而增大。
（2）激光功率为1100W、2000W和2300W时，激光熔覆涂层都主要由α-Ti、TiNi、Ti2Ni、TiB2、TiC和Ce2O3相组成，激光功率的变化不会改变激光熔覆涂层的物相组成。不同激光功率下的激光熔覆涂层中存在颜色不同、尺寸不等、形状不规则的第二相，熔覆涂层内部未见明显孔洞或者裂纹等缺陷。
（3）激光熔覆涂层的显微硬度（935.61HV~1064.29HV）都高于基体（303.24HV），磨损率都明显小于基体材料；当激光功率从1100W增加至2300W时，熔覆涂层的显微硬度先增大后减小、磨损率先减小后增大，显微硬度最大值（1064.29HV）和磨损率最小值（0.38×10-5mm3（/N·m））出现在激光功率为2000W时。当激光功率从1100W增加至2300W时，腐蚀电位先正向移动后负向移动，腐蚀电流密度先减小后增大，Rct和Rf都表现为先增后减趋势，即激光熔覆涂层的耐蚀性会随着激光功率增加先增大后减小。
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