钛合金材料不仅质量轻，而且其综合力学性能好、耐蚀性能强，可作为飞机起落架、机匣等零部件的原材料。但是钛合金普遍硬度低，在使用过程中容易产生粘着磨损、磨粒磨损等，限制了其使用范围和发展。激光熔覆技术是改善钛合金材料表面性能的先进制造技术之一，相对电镀、化学镀、热浸镀等传统工艺有着很多的优势。通过同步送粉或预置熔 覆材料的方式，利用激光束的瞬间加热功能，熔覆材料和基体合金表面薄层达到金属熔点以上，迅速熔化发生冶金结合，又快速凝固制备出一层较薄的高强度涂层，来达到表面改性的目的[1]。利用熔覆技术不仅可以制备高强度防护涂层，还可以实现各类金属零件的制造、修复和连接[2]。
一、钛合金表面激光熔覆涂层材料
（一）陶瓷材料涂层
通过激光束的瞬间加热功能在钛合金表面制备出较薄的陶瓷涂层，可以达到冶金连接的效果。陶瓷材料本身硬度高，涂层组织稳定、与基材结合性好，涂层不仅表面硬度高，其耐磨性和抗高温性能相对基体材料有明显的优势，对钛合金材料起到了非常好的保护作用[3]。刘均环[4]利用激光熔覆技术在钛合金表面制备了生物陶瓷涂层，并对熔覆层进行了热处理。他发现当激光功率为0.9 kW、扫描速度为14mm/s 时，涂层性能较好；在熔覆层中添加3wt.%的CaB6 可显著提高涂层表面硬度，相对基体钛合金材料可提高大约2.8 倍，而且耐腐蚀性能得到了大幅度提升。当CaB6 的质量分数增加到5wt.%时，涂层中部显微组织由杂乱无序树枝晶转变为呈规则排列的树枝晶。后期又对该试样涂层进行了700℃保温3h 的热处理，但导致了熔覆层裂纹的产生。究其原因可能是热处理导致涂层内部应力增大，从而产生出现纵向裂纹和孔洞，涂层脱落而失效。另一方面热处理促使内部枝晶组织变得粗大，而降低涂层的显微硬度、耐腐蚀性和生物活性。
（二）复合材料涂层
陶瓷材料作为钛合金表面熔覆材料虽然组织稳定、硬度高、抗高温性能好，但是一般陶瓷材料与钛合金基体之间的润湿性差，容易产生裂纹和孔洞等缺陷。复合涂层既保证了金属材料良好的力学性能，又能展现出陶瓷材料突出的高硬度和高温性能，日益受到学者们的广泛关注[5]。何斌锋[6]采用同轴送粉方式在TC4 合金表面激光熔覆了NiCrAl+TiC复合涂层。研究发现：熔覆层中存在TiC、NiTi2、Cr0.2Ti0.8C、VC 等金属间化合物和陶瓷相，表面硬度得到大幅度提升，同时磨损率也明显下降，耐磨性得到改善。当TiC 粉末含量较少时，熔覆层中存在金属间化合物和陶瓷相，但是TiC 磨损过程中产生磨粒磨损而部分脱落，耐磨性较差。当TiC 含量逐渐增大时，在已生成的组织上面又形成了新的细小相NiTi2，同时还出现了多种陶瓷相，表现出良好的耐磨性。王阿敏[7]等采用激光熔覆技术在TC4 钛合金表面预置混合粉末制备了复合涂层。研究发现：熔覆层的主要相为TiB、TiB2、TiC 等硬质陶瓷相和Ti-Al金属间化合物，涂层硬度高、耐磨性好。当预置粉中C 含量为5%时，涂层显微组织中TiC 容易形核和生长，TiC 含量随之增多，颗粒细小且分布均匀，同时板条状组织略微减少。当预置粉中C含量为8%时，由于C含量过多，较多的碳化物相互生长形成粗大的晶粒组织。不同体积分数的预置粉末直接影响了涂层最终的性能，其中C 含量为5%时，可获得综合力学性能最好的涂层。
（三）涂层中添加增强相
稀土元素本身晶粒细小，经常作为增强相来提高材料的性能。在激光熔覆制备涂层时添加适量稀土元素可以增加涂层韧性，也可以增加防止裂纹扩展的阻力，有效阻碍裂纹生长和扩展，裂纹的减少既能防止涂层脱落也可以提高涂层的耐腐蚀性。崔朋贺[8]等采用激光熔覆技术在钛合金表面制备的复合涂层中添加了稀土元素，通过实验研究认为添加Y2O3可以减少涂层中的气孔和杂质等缺陷，同时起到了促进形成增强相的作用。同时涂层与基体结合良好。当添加质量分数１％的Y2O3时，增强相含量明显增多而且发现组织得到细化，变得均匀细小，鱼骨状增强相转变为颗粒状，复合涂层的平均断裂韧度大幅度提高。当添加的Y2O3 质量分数为2％，增强相TiC 呈类似花状的组织，涂层的平均断裂韧度 却下降了很多。当添加质量分数3％ 的Y2O3 时，Y2O3没有完全溶解，最终以大块的白色夹杂存在与显微组织中，涂层表面处的断裂韧度有一定程度的提高，涂层中部的断裂韧度却很差。
二、不同激光参数对涂层表面组织及性能的影响
（一）激光功率
适当的激光功率是决定激光熔覆层性能的关键因素之一。激光功率太低时，熔覆层与基体的冶金结合效果较差，其力学性能就不是很好；当激光功率过高时，部分熔覆粉末会瞬间“汽化”，涂层孔隙率超出其范围，就很容易产生裂纹，严重降低了熔覆层的使用性能。因此，在激光熔覆过程中，激光功率的大小越来越受到学者们的广泛关注。
邱莹[9]等在TC4 合金表面熔覆了Ti40 阻燃钛合金涂层。研究了不同激光功率是否导致涂层的成分和硬度发生的变化。随着激光功率的增大，熔覆层高度逐渐增加，表层的等轴晶层厚度也随之增加，中部组织由轴柱状晶转变为粗大的柱状晶。胡春亮[10]等研究了激光功率对钛合金表面激光熔覆层性能的影响。研究结果表明：在TC4 钛合金基体中存在TiC、TiB、TiB2，熔覆层中还有未熔的B4C颗粒。激光功率越大，覆层表面越平滑，熔覆层存留的B4C颗粒越少，TiB数量越多、尺寸越大，涂层表面显微硬度降低，耐磨性显著增加。随着激光功率的增大，基材和熔覆粉末同时吸收了较大的激光能量，受到高温时间变长，B4C颗粒逐渐被分解，被分解的B4C颗粒与钛合金生成TiC、TiB、TiB2。另一方面，激光功率越大，熔池保持高温时间越长，过冷度降低导致形核率下降，这样就增大了原位自生增强相的生长速度。
（二）扫描速度
适当的激光功率是决定钛合金表面激光熔覆层性能的关键因素之一。当扫描速度过高时，激光能量没有充足的时间作用于钛合金，熔池存在时间减少，送粉粉末熔化率低，而且容易产生孔洞和裂纹等缺陷，熔覆层性能无法达到预期效果。当扫描速度过低时，激光能量长时间作用于钛合金表面，送粉粉末有可能会发生过烧现象，同时也会增加变形量。林沛玲[11]等在钛合金表面预置Ti 和B 混合粉末，利用激光熔覆技术在不同的扫描速度下制备了复合熔覆层。认为：熔覆层与基体结合良好，主要物相是Ti 和TiB；显微组织中，TiB呈现颗粒状，而Ti 为枝晶状；扫描速度越大，熔覆层深度越低，但表面硬度却越来越高，最高是基体硬度的1.5～2 倍。当扫描速度为8mm/s 时，熔覆层的组织最为细小。林熙[12]等研究了扫描速度对TC4钛合金表面激光熔覆层性能的影响。在TC4试样表面预置一定质量分数的TC4 与Ni 包B4C混合粉末，采用氩气保护，调节3种不同的扫描速度，在试样表面激光熔覆制备了复合涂层。认为：激光扫描速度越大，涂层厚度越小，且宽度越小。当扫描速度为8mm/s时，激光能量在试样表面停留时间长，同时熔池存在时间相对较长，Ti原子又充足的时间与生成的TiB2反应生成TiB。当扫描速度增大时，熔池存在时间减少，Ti原子没有来得及与TiB2反应就已经趋于凝固，所以，留存的TiB2逐渐增多，而TiB数量较少。3种不同扫描速度下制备的涂层其显微硬度都很高，达到基体的2～3 倍，明显增强了钛合金表面硬度，其中扫描速度为8mm/s 时，熔覆层硬度达到最高值。
（三）后期热处理
激光熔覆过程中，激光的高能量将基体与粉末快速熔化后又快速的凝固，涂层的内部会产生很大的残余内应力。如果不及时处理残余内应力，涂层在使用过程中极易产生裂纹，严重制约了涂层的使用寿命和使用范围。对激光熔覆涂层进行合适的热处理有着极其重要的意义。一方面，通过低温去应力退火可以大幅度降低涂层内部的残余应力，可以防止裂纹的产生；另一方面，热处理过程中，基体和涂层中的原子发生着高温扩散，原子间置换加剧，可以减少裂纹和提高熔覆层的塑性和韧性。
翟永杰[13]对TA2合金表面制备的激光熔覆涂层进行了热处理，分析对比了不同时长和温度对熔覆层组织和性能的影响。首先在TA2 合金表面预置40%Ti-25.2%Ti C-34.8%WS2 复合粉末，利用激光熔覆技术制备了复合涂层试样。经实验数据处理分析后认为：经过500℃高温，时长1h 和2h 热处理涂层相比于未热处理涂层的显微硬度有所提高，磨损机制 主要为磨粒磨损，表面较为光滑，摩擦系数和磨损率都有一定程度的下降，然而不同热处理时长对熔覆层组织和性能的影响较小。当热处理1h，温度为300℃时，涂层的组织与未热处理涂层区别不大，耐磨性能没有明显提高，显微硬度略有下降。热处理温度为500℃和700℃的涂层显微组织发生了变化，热处理温度为700℃时涂层的显微硬度和耐磨性达 到最高值。可见，合适的热处理有助于改善钛合金表面熔覆涂层的组织和性能。
三、外加物理场对涂层表面组织及性能的影响
（一）电磁场
外设电磁场应用在激光熔覆技术主要体现在两个方面。首先，电磁场可以控制金属液体的流动，改变了熔池形状，促进涂层与基体更好的结合，防止脱落。其次，电磁场可以改善金属的凝固组织和性能，在涂层的凝固过程中，电磁场的搅拌与振动作用可以细化晶粒，以及提高涂层的综合力学性能。
杨光[14]等研究了施加电磁场对熔池凝固过程的影响，对是否施加电磁场的TA15钛合金表面激光熔覆过程进行了三维磁-热耦合数值模拟。认为：电磁场的电磁搅拌作用于熔池形成和凝固过程中，加快了液态金属的对流，增大了熔池的最大流速，加快了熔池的热交换，实现了熔池温度分布的均匀化，这样就促进了熔池顶部组织柱状晶向等轴晶的转变。试验结果表明熔池顶部出现轴晶组织，随着与电磁场中心距离的增加，等轴晶数量逐渐增多，而熔池底部和中部组织依然为柱状晶。在没有施加电磁场的情况下，涂层组织均为柱状晶，并没有生成等轴晶。同时发现电磁场的作用并没有对熔池内部柱状晶的生长产生较大影响。
（二）超声振动
在激光熔覆技术中，超声振动作用在沉积时或沉积后，可以减小涂层内部残余内应力，防止生成粗大的柱状晶，促进等轴晶的生成，细化了涂层的组织，从而改善了激光熔覆涂层的性能。张安峰[15]等研究了施加超声振动对激光熔覆沉积Ti6Al4V合金组织和性能的影响。通过实验设备，超声振动作用于熔融的金属熔池中，金属混合粉末在激光熔覆沉积和超声振动中发生金属结晶过程，制备出钛合金试样，后对该试样进行了固溶时效处理。Ti-Al 相图如图1 所示。研究发现：超声振动的施加减小激光熔覆沉积Ti6Al4V 合金残余应力和表面粗糙度，晶粒变细，同时其强度和塑性有一定程度的提高。这是由于超声作用在熔池中产生了空化泡，而空化泡的破碎对熔体产生了冲击作用，局部温度得到提高，增大过冷度的同时增大了形核率，最终细化了晶粒，试样的强度较标准锻件高出了许多。钛合金试样经固溶时效热处理后，其组织和性能也发生了一些变化。显微组织晶粒相对细小，由多种相组成了混合组织，试样的塑性和韧性得到提高，强度略微下降，综合力学性得到提高。
四、结语
利用激光熔覆技术在钛合金表面制备出一层较薄的高强度涂层，可以有效改善钛合金材料表面性能，相对传统工艺有着很多突出的优势，涂层与基体材料之间冶金连接，不易脱落，且涂层性能优良，可有效的起到防护作用。交变电磁场可以改善金属的凝固组织和性能，在涂层的凝固过程中，可以细化晶粒，来获得质量更佳的防护涂层。[16,17]
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