航空工程与维修
AVIATION ENGINEERING & MAINTENANCE
1999年　第2期　No.2　1999



　　利用高功率横流CO2激光器，将Ni25Ti50Cu25形状记忆合金熔覆在钢材表面，并采用氮气作为保护气体，在涂层内原位形成TiN陶瓷颗粒，可以有效地提高涂层的硬度和耐磨性。
Ni25Ti50Cu25形状记忆合金的激光熔覆研究
Study of Surface Laser Cladding for Ni25Ti50Cu25 Shape Memory Alloys
涂德銮　崔立山　王燕华　蔡镜仑
　　在低成本钢材上用高能量密度的激光束熔覆高硬度和耐磨损的金属－陶瓷复合涂层是现代材料科学技术中的一个活跃的研究领域。同喷涂或气相沉积等技术相比，激光熔覆所形成的金属－陶瓷涂层具有结合强度高、涂层致密、稀释率低、涂层部位可控、组织细小及性能优良等特点。
　　然而激光熔覆金属－陶瓷（陶瓷为硬质耐磨相，金属为粘结剂）得到的陶瓷涂层虽然硬度很高，但脆性大，主要原因是陶瓷与粘结金属往往浸润性不好，陶瓷相与母相的热物性参数（比容、膨胀系数等）差异较大，陶瓷、母相界面易受污染，并形成界面反应物甚至非晶相，在凝固过程中陶瓷、母相界面形成微裂纹的倾向较大，从而大大降低了这种激光熔覆金属陶瓷层的使用寿命，所以我们必须想方设法提高涂层的韧性。
　　近年来，国内外材料研究学者在增韧剂的研究中发现NiTi形状记忆合金具有良好的增韧效果，NiTi合金的马氏体相变及高阻尼特性可吸收裂纹前端应力场能量而抑制裂纹的产生与扩展，其形状记忆效应及产生的回复力具有闭合裂纹作用。NiTi合金的耐冲蚀性能是45＃钢的200多倍，美国ROGERS研究发现NiTi合金可使脆性马来树脂冲击韧性提高近5倍。俄罗斯研制的NiTi合金增韧陶瓷刀具使用寿命是硬质合金（WC－CO）刀具的3倍左右。
　　在NiTi系形状记忆合金中，NiTiCu形状记忆合金除具有NiTi合金的一般特性之外，还具有NiTi二元合金所不具备的优点，如其热滞后小，相变点易控，热循环、应变循环稳定性好，马氏体屈服强度低等，NiTiCu是在NiTi二元系合金中加入元素周期表中与Ni近邻的Cu元素。研究发现，NiTiCu在Cu为25at％出现一个很大的变形和振动衰减峰，表明这种成分合金可以大幅度吸收振动，具有优异的减振、降噪功能。另外Ni25Ti50Cu25合金粉末比NiTi合金粉末容易获得。
　　鉴于以上理由，我们在基材表面上激光熔覆形状记忆合金Ni25Ti50Cu25粉末，并在高纯氮气气氛下进行，希望在Ni25Ti50Cu25母相上原位制得高硬度、高耐磨的TiN，因为TiN为原位生成，所以与母相结合良好，界面洁净。
试验方法
　　用一台最大输出功率为2kW的CO2激光器在A3钢表面进行熔覆处理，基材尺寸加工成30mm×20mm×4mm，表面经磨削加工。预置粉末层粘结剂配方为：醋酸纤维素丙酮，将粒度为－200～＋325目的Ni25Ti50Cu25粉末预涂于基体表面，预涂敷厚度为0.4～1.0mm；激光熔覆过程中用氮气保护。激光功率选1.5kW，光斑直径为3mm，搭接宽度为2.5mm，光斑扫描速度为3～15mm/s。用金相显微镜和扫描电镜观察涂层组织，X射线衍射仪测定涂层相组成，EDAX测量涂层中元素线、面浓度分布，PolyVar显微硬度计测量涂层硬度分布，FALEX多功能摩擦磨损机测定涂层耐磨性，扫描电镜观测涂层磨损前后的表面。
试验结果及分析
　　1.激光工艺参数对熔覆层质量的影响
　　激光熔覆层的质量与功率密度（P/πD2）、能量密度（P/DV）之间有着密切的关系。实验中发现，如果输入的能量过低，未完全熔化的涂层材料冷却时在表面张力的作用下凝结成不连续的熔滴，分布在基体表面。当输入能量上升到一定值时，基体表面才开始熔化，与涂层材料形成冶金结合，在基体上产生连续涂层。我们发现，取激光功率为1.5kW，扫描速度为5～6mm/s时，得到较好的连续涂层。继续升高输入能量，将使基体熔化过重，基体对涂层的稀释率过高，变成激光合金化，失去了涂层的固有性能。一般认为，激光熔覆层的稀释率在10％以内均可以保证良好的涂层设计性能及界面冶金结合。稀释率是涂层的合金成分因熔化的基体材料混入而发生变化的程度；可通过测量整个熔覆层中元素的含量变化来反映，也可以通过测量熔覆层截面的面积值来计算出稀释率的大小：
　　稀释率=基体金属被熔化的面积/（覆盖层的面积＋基体金属被熔化的面积）
　　由于激光束光斑直径一定时，熔覆层宽度随工艺参数的变化不大，因此，截面积的变化主要体现在熔覆层高度H与基材熔深h，通过试验发现，可用下式表示熔覆层的稀释率：
稀释率=h/(H＋h)=1/(1＋H/h)
　　下表是不同工艺条件下获得的涂层的稀释率（功率固定为1.5kW，光斑直径为3mm）。

扫描速度（mm/s）6542
稀释率，%8.7131933(过烧)


　　当扫描速度取8mm/s以上时，开始出现不连续的熔滴，并出现大量气孔。所以在激光功率为1.5kW，光斑直径为3mm时，最佳扫描速度为6mm/s，这时涂层表面致密，无裂纹和气孔存在。
2.激光熔覆层的组织
　　X射线衍射分析表明，激光熔覆的合金涂层由Ni25Ti50Cu25，TiN，γ－Ni固熔体及(Fe,Cr)23(CB)6等相构成。
　　图1是激光熔覆处理后样品垂直截面的光学显微组织，在涂层与基材交界处有一宽度为5～10μm的因平界面生长导致的过渡带，通常称之为结合带。结合带的存在，表明涂层与界面间为良好的冶金结合。涂层由大量的胞状组织和一定量弥散分布的细小颗粒组成。结合能谱分析，胞状组织主要有γ－Ni固熔体，Ni及NiTiCu等化合物；细小颗粒主要为TiN等Ti的化合物，TiN为激光熔覆过程中由NiTiCu分解出来的游离Ti原子与保护气体氮气接触在熔池中原位反应合成。图2是熔覆区中部的SEM照片，图3是相应部分的Ti的面扫描图，从两图的对照中也可以看出，颗粒状组织主要为Ti的化合物。这些弥散分布的Ti的化合物对提高涂层的硬度和耐磨性起着重要作用。

图1　激光熔覆层横截面光学显微组织

图2　涂层中部显微组织SEM照片

图3　涂层部显微组织的Ti元素面扫描图
3.激光熔覆层的硬度与耐磨性
　　图4给出了涂层的显微硬度分布曲线。据文献介绍，NiTi类合金的硬度为HB90左右，相当于HV102左右。可见，激光熔覆可使NiTiCu合金的硬度有明显提高，这可能与原位形成的呈弥散分布的高硬度TiN颗粒有关。根据实验数据分析，激光熔覆NiTiCu合金涂层较之基体金属的耐磨性提高了7.5倍以上。

图4　显微硬度随层深分布曲线
结论
　　.选择合适的工艺参数，可在低碳钢上熔覆上一层与基材结合良好的Ni25Ti50Cu25合金涂层。从而拓宽了该合金的应用领域。
　　.选择氮气作为保护气体，可在涂层内原位形成呈弥散分布的细小TiN颗粒，从而有效地提高涂层的硬度和耐磨性。如果通入的氮气量较大或加入活性氮原子，将生成更多的TiN颗粒。□
作者单位：石油大学
