ZHANG P F, LI Y X, LI L, et al. Microstructure and Properties of Ti/TiBCN Coating on 7075 Aluminum Alloy Surface by Laser Cladding[J]. China Surface Engineering, 2018, 31(2): 159-164.
铝及铝合金是轻量化的首选材料，是有色金属之首。铝合金具有密度小、比强度大、易加工、耐腐蚀性好等优良的综合性能，广泛应用于汽车、航空航天、船舶等领域[1-2]。但是在实际应用中，铝合金表面硬度低、耐磨性差，在一定程度上限制了其应用范围。
为提高铝合金的使用性能，国内外许多学者选用各种表面改性技术来提高铝合金表面性能。与阳极氧化法、微弧氧化法[3]、热喷涂[4]、物理气象沉积、化学气象沉积[5-6]等技术相比，激光熔覆技术具有对基体的热影响小，能量利用率高，熔覆层表面较为光滑平整，与基体界面结合较好等优点[7-8]。魏广玲[9]等利用激光熔覆技术在6061铝合金表面熔覆铜基复合涂层，结果表明大量硬质颗粒增强相分布在Cu-Ni固溶体合金基体组织中，大大增强了基体的耐磨性能，比基体硬度提高了4.5倍。Wang[10]等人在6063铝合金表面熔覆了Ni60合金涂层，并添加了稀土La2O3，Y2O3，CeO2化合物，研究表明稀土化合物可以消除涂层的裂纹和气孔，显微硬度提高到350 HV。沈育伟[11]采用高功率半导体激光器在5052铝合金表面熔覆Al-Si合金涂层，熔覆层与基体形成良好的冶金结合，表面硬度高900 HV0.1。
然而，尽管国内外学者对铝合金激光表面改性的制备工艺和性能做了广泛的研究，目前尚没有在铝合金表面制备Ti/TiBCN涂层的研究报道。TiBCN是对TiCN进行硼化处理获得的新型的陶瓷材料，具有NaCl型面心立方(FCC)晶体结构，B的固溶使TiBCN陶瓷材料在硬度、耐磨性和化学稳定性方面有更加突出的表现。文中通过选择合适的Ti/TiBCN粉末配比和工艺参数，用激光熔覆技术在7075铝合金表面制备出Ti/TiBCN涂层，提高了铝合金表面的硬度和耐磨性。
1 试 验 1.1 样品制备基体材料选用7075铝合金(化学成分见表1)，规格大小为30 mm×20 mm×10 mm。试样表面用180号砂纸打磨，并用无水乙醇清洗，晾干，用黑色墨水将待熔覆表面涂黑。熔覆材料为Ti粉(纯度99.5%，粒度100~150 μm)和TiBCN粉末(纯度98.5%，粒度80~100 μm)，其粉末特性如表2所示。粉末按质量分数85%Ti和15%TiBCN粉末进行配比，用QM-3SP4行星式球磨机进行机械混合，球磨速度500 r/min，球磨时间2 h。
| Element | Si | Fe | Cu | Mn | Cr |
| Content | 0.40 | 0.5 | 1.2−2.0 | 0.30 | 0.18−0.28 |
| Element | Zn | Ti | Al | Others | |
| Content | 5.1−6.1 | 0.2 | Bal. | <0.05 | |
| Physical property | Ti powder | TiBCN powder |
| Melting point/℃ | 1 660±4 | ≥2 900 |
| Thermal conductivity/(W·m−1·k−1) | 22.08 | 11 |
| Density/ (g·cm−3) | 4.507 | 5.1−5.4 |
| Coefficient thermal expansivity/(10−6 K) | 8.35 | 8.258 |
| Electrical resistivity/(10−7 Ω·m) | 0.42 | 15 |
| Micro-hardness/ HV | 90−225 | 18−24 |
| Tensile strength/ MPa | 250 | 240−300 |
使用DMS-3D型同轴送粉器和光纤耦合半导体激光器(LDF 4 000-100)，波长980~1020 nm，最大输出功率4 000 W，焦距150 mm，光斑直径1.5 mm。其工艺参数范围：功率800~1 200 W，扫描速度2~5 mm/s，送粉率200~300 mg/min，搭接率30%，使用氩气为保护气体。
1.2 结构表征及力学性能测试用Rigaku D/max-rB型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，然后使用INSPECTF-50型电子扫描显微镜(SEM)观察截面形貌和微观组织。用HVS-1000型显微维氏硬度计测试熔覆层横截面的硬度分布，使用载荷200 g，加载时间10 s。
采用MFT-R4000往复摩擦磨损试验机，在室温下往复干摩擦，摩擦副为直径5 mm的GCr15钢球(硬度为HRC65)，载荷为5 N，摩擦长度5 mm，摩擦频率2 Hz，磨损时间20 min；对磨损试样利用电子天平称量前后质量(精度为0.1mg)，并计算磨损损失量。使用ZEISS-Imager型金相显微镜(OM)对磨损后的形貌进行分析。
2 结果与讨论 2.1 工艺参数对熔覆层质量的影响表3是3因素3水平的正交实验表及试样的宏观形貌。不同工艺参数下，7075铝合金表面激光熔覆Ti/TiBCN的宏观形貌差异较为明显。在激光功率和送粉率一定的情况下，扫描速度2 mm/s时，激光比能大，基体出现塌陷现象。当扫描速度为5 mm/s时，激光比能小，熔覆粉末未完全熔化，不能与基体形成良好冶金结合。当激光功率800 W，扫描速度3 mm/s，送粉率250 mg/min时，熔覆层连续且完整，但熔覆层不均匀，且熔覆层表面出现明显的气孔，是因为液相中的气体未能完全逸出[12]。
从表3还可以看出：在试样5表面能够形成一条连续、光滑的熔覆层，与基体形成良好的冶金结合。则最佳工艺参数为：激光功率1 000 W，扫描速度3 mm/s，送粉率300 mg/min，用此优化工艺参数继续做多道熔覆，并进行性能分析。
| No. | Laser power,
P / W |
Scanning spend,
S / (mm·s−1) |
Powder feeding rate,
F / (mg·min−1) |
Sample | Remark |
| 1 | 800 | 2 | 200 |
|
Bad combination |
| 2 | 800 | 3 | 250 |
|
Good combination |
| 3 | 800 | 5 | 300 |
|
Bad combination |
| 4 | 1 000 | 2 | 250 |
|
Bad combination |
| 5 | 1 000 | 3 | 300 |
|
Good combination |
| 6 | 1 000 | 5 | 200 |
|
Bad combination |
| 7 | 1 200 | 2 | 300 |
|
Bad combination |
| 8 | 1 200 | 3 | 200 |
|
Bad combination |
| 9 | 1 200 | 5 | 250 |
|
Bad combination |
图1是7075铝合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂层顶部和底部区域的XRD图谱。顶部主要由Ti、Al、TiBCN、Al3Ti和TiN相组成，由于熔覆粉末中Ti粉含量较高，在高温作用下，Ti和铝基体反应生成Al3Ti金属间化合物，而TiBCN熔点(≥2 900℃)很高，在激光功率1 000 W下，TiBCN粉末表现为边缘熔化。涂层底部主要由Ti、Al、TiBCN和Al3Ti相组成，由于TiBCN粉末边缘熔化较少，Al含量较多，未生成TiN相。
图2是7075铝合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂层的微观形貌。从图2(a)中熔覆层与基体形成良好的冶金结合，且未发现气孔、裂纹等缺陷。因熔池的位置不同，凝固条件不同，最终形成的组织不同。在涂层上部，凝固速度大，成分过冷倾向也大，使得晶核向成分过冷深处生长，最终形成树枝晶和部分胞状晶(如图2(b)所示)。在涂层中部，凝固速度小，温度梯度大，成分过冷倾向小，Ti粉末和TiBCN颗粒以等轴晶形式生长，从而使TiBCN以球形颗粒形态弥散分布(如图2(c)所示)。在涂层下部，接近7075铝合金基体，温度梯度大，有部分TiBCN胞状陶瓷颗粒(如图2(d)所示)。图2(e)为搭接处的微观形貌，其组织放大如图2(f)所示，呈现出均匀致密的组织。
|
| 图 1 7075铝合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂层顶部和底部的XRD图谱 Figure 1 XRD patterns of the laser cladding Ti/TiBCN on 7075 aluminum alloy for top and bottom of the coating |
|
| 图 2 7075铝合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂层的微观形貌 Figure 2 Micrographies of Ti/TiBCN coating on 7075 aluminum alloy by laser cladding |
图3是Ti/TiBCN涂层横截面的微观硬度。由图3可知，从熔覆层表面至基体的硬度虽然有所波动，但总体上呈下降趋势。Ti/TiBCN涂层的最高硬度可达766.3 HV0.2，平均硬度为519.4 HV0.2，是铝合金基体(~120 HV0.2)的4.3倍。一是熔覆层存在大量未熔化的硬质TiBCN颗粒；二是激光熔覆是一个快速加热快速冷却的过程，激光快速冷却使得涂层晶粒来不及长大而得到细化[13]；三是金属间化合物Al3Ti起到第二相强化的作用。
|
| 图 3 Ti/TiBCN涂层横截面的微观硬度 Figure 3 Microhardness distribution across the section of the Ti/TiBCN coating |
图4为7075铝合金基体和Ti/TiBCN涂层的摩擦因数，图5是涂层和基体磨损损失量的对比图。涂层的平均摩擦因数为0.208，约是基体(0.442)的1/2；涂层磨损损失量为2.7 mg，约是基体(8.2 mg)的1/3。无论从摩擦因数还是磨损损失量都可以看出熔覆层的耐磨性能优于基体。
图6给出了7075铝合金基体与涂层磨损后的金相显微形貌。从图6(a)(b)可以看出，7075铝合金基体磨损表面粗糙不平，存在大面积的塑性变形和宽且深的犁沟，属于犁削式磨损，这是由于铝合金硬度较低，在对偶材料的摩擦作用下，容易产生犁削式磨损和塑性变形。而涂层表面出现了不连续、细且浅的轻微犁沟，属于磨粒磨损，这主要是因为熔覆层中存在大量硬质TiBCN、Al3Ti金属间化合物，因而涂层表现出了良好的抗磨损能力。
|
| 图 4 7075铝合金基体和Ti/TiBCN涂层的摩擦因数 Figure 4 Friction coefficient of the Ti/TiBCN coating and 7075 aluminum substrate |
|
| 图 5 7075铝合金基体和Ti/TiBCN涂层磨损损失量 Figure 5 Wear mass loss of Ti/TiBCN coating and 7075 aluminum substrate |
|
| 图 6 7075铝合金基体与Ti/TiBCN涂层磨损后的金相显微形貌 Figure 6 Worn surface morphologies of 7075 aluminum substrate and the Ti/TiBCN coating |
(1) 通过正交实验对激光熔覆过程的工艺参数进行优化分析，当激光功率为1 000 W，扫描速度为3 mm/s，送粉率为300 mg/min时，工艺参数最佳。
(2) 在7075铝合金表面制备了Ti/TiBCN涂层。XRD分析表明：涂层主要由Ti、Al、TiBCN、Al3Ti、TiN相组成。涂层上部由树枝晶和部分胞状晶组成，涂层中部为等轴晶，涂层下部呈现球形的TiBCN颗粒。
(3) Ti/TiBCN涂层从表面至基体的硬度虽然有所波动，总体上呈降低趋势，涂层的最高硬度可达766.3 HV0.2，平均硬度为519.4 HV0.2，是铝合金基体(~120 HV0.2)的4.3倍。
(4) Ti/TiBCN涂层的耐磨性显著提高，涂层平均摩擦因数为0.208，约是基体(0.442)的1/2；涂层磨损量为2.7 mg，约是基体(8.2 mg)的1/3。
| [1] | ZHUANG W, LIU Q, DJUGUM R, et al. Deep surface rolling for fatigue life enhancement of laser clad aircraft aluminium alloy[J]. Applied Surface Science, 2014(320): 558-562. |
| 点击浏览原文 | |
| [2] |
芦庆, 李玉新, 孟君晟. ZL104合金氩弧熔覆Cu基复合涂层[J]. 材料热处理报, 2014, 35(3): 167-171.
LU Q, LI Y X, MENG J S. Cu-based composite coating by argon arc cladding on ZL104 alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2014, 35(3): 167-171 (in Chinese). |
| 点击浏览原文 | |
| [3] |
刘盛耀. 镁合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3复合涂层的组织与性能研究[D]. 太原: 中北大学, 2017: 3-13.
LIU S Y. Microstructure and properties of laser cladding Al+WC+La2O3 composite coating on magnesium alloy surface[D]. Taiyuan: North University of China, 2017: 3-13 (in Chinese). |
| [4] |
陈建敏, 王凌倩, 周健松, 等. 激光熔覆Ni基涂层研究进展[J]. 中国表面工程, 2011, 24(2): 13-21.
CHEN J M, WANG L Q, ZHOU J S, et al. Research progress of laser clad Ni-based coatings[J]. China surface Engineering, 2011, 24(2): 13-21 (in Chinese). |
| 点击浏览原文 | |
| [5] | SHU F Y, TIAN Z, ZHAO H Y, et al. Synthesis of amorphous coating by laser cladding multi-layer Co-based self-fluxed alloy powder[J]. Materials letters, 2016, 176: 306-309. |
| 点击浏览原文 | |
| [6] |
崔岗, 韩彬, 崔娜, 等. 扫描速度对激光熔覆Ni基WC合金涂层组织与性能的影响[J]. 中国表面工程, 2014, 27(4): 82-88.
CUI G, HAN B, CUI N, et al. Effects of scanning speed on microstructure and properties of laser cladding Ni-based WC alloy coating[J]. China Surface Engineering, 2014, 27(4): 82-88 (in Chinese). |
| [7] | LIN Y H, YAO J H, LEI Y P, et al. Microstructure and properties of TiB2-TiB reinforced titanium matrix composite coating by laser cladding[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2016, 86: 216-227. |
| 点击浏览原文 | |
| [8] | LUO K Y, JING X, SHENG J, et al. Characterization and analyses on micro-hardness, residual stress and microstructure in laser cladding coating of 316L stainless steel subjected to massive LSP treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 673: 158-169. |
| 点击浏览原文 | |
| [9] |
魏广玲, 潘学民. 6061铝合金激光熔覆铜基复合涂层组织及磨损性能[J]. 特种铸造及有色合金, 2010, 30(4): 372-375.
WEI G L, PAN X M. Microstructure and wear resistance of Cu-based composite coating on 6061 aluminum alloy by laser cladding[J]. Special Casting and Nonferrous alloys, 2010, 30(4): 372-375 (in Chinese). |
| [10] | WANG C L, GAO Y, ZENG Z C, FU Y K. Effect of rare-earth on friction and wear properties of laser cladding Ni-based coatings on 6063Al[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 727: 278-285. |
| 点击浏览原文 | |
| [11] |
沈育伟. 5052铝合金激光熔覆Al-Si合金涂层研究[J]. 热处理, 2016, 31(1): 28-30.
SHEN Y W. Research on cladding Al-Si alloy coating on 5052 aluminum alloy by laser[J]. Heat Treatment, 2016, 31(1): 28-30 (in Chinese). |
| 点击浏览原文 | |
| [12] | LU X L, Liu X B, Yu P C, et al. Synthesis and characterization of Ni60-hBN high temperature self-lubricating anti-wear composite coatings on Ti6Al4V alloy by laser cladding[J]. Optics Laser Technology 2016 (78): 87-94. |
| 点击浏览原文 | |
| [13] | AINHAO R, PILAR R, et al. Analysis and optimization of process parameters in Al-SiCp laser cladding[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2016, 78: 165-173 |
| 点击浏览原文 |