通过TiAl激光合金化和TiCN陶瓷表面强化处理的因瓦合金的微观结构与磨损行为

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure and wear behavior of invar alloy surface strengthened by TiAl laser alloying and TiCN ceramics

Invar合金表面通过激光合金化结合TiAl合金化和TiCN陶瓷增强，形成细晶强化层，硬度提升5.6倍至753.16 HV1.0，磨损率降低63%，机理包括硬相增强和致密氧化膜形成。

　　
Invar合金因其卓越的热膨胀特性在精密工程领域应用广泛，但其低硬度与耐磨性缺陷制约了其在摩擦场景的应用潜力。针对这一技术瓶颈，研究团队创新性地采用激光合金化技术，通过引入TiAl合金化和TiCN陶瓷增强机制，实现了Invar表面性能的突破性提升。该研究在材料科学领域具有双重示范价值：既展示了先进表面工程技术对传统合金性能的改造能力，又为高温合金表面改性提供了新的技术路径。

研究背景方面，Invar合金（如4J32标准牌号）凭借小于2×10??/°C的CTE性能，在航天发动机精密部件、低温储罐、模具制造等领域占据不可替代地位。然而，单一奥氏体γ-Fe相结构导致的硬度和耐磨性不足（基体硬度约135 HV），严重限制了其在摩擦场景的应用。传统表面强化技术如热化学处理（渗碳/渗氮）受限于高镍含量阻碍元素扩散，效果有限；超声波表面滚压虽能通过塑性变形产生残余压应力，但形成的强化层深度不足（通常<25μm），且强化效果提升幅度有限（硬度增幅约15.56%）。

激光合金化技术的引入为解决上述问题提供了新思路。该技术通过高能激光束（功率2.7kW，扫描速度5mm/s）瞬间熔覆粉体材料，在快速冷却过程中形成纳米级强化相。实验选用TiAl-TiCN-Ni粉体体系，其中TiAl合金化主要生成AlNi?Ti等金属间化合物，TiCN陶瓷则通过热力学分解形成Ti(C,N)纳米颗粒。这种复合强化机制突破了单一相强化的物理极限，具体表现为：

1. 微观结构重构：激光熔覆区形成细晶（晶粒尺寸约0.8μm）+纳米析出相的复合结构。Ti(C,N)颗粒（平均粒径45nm）以梯度形式分布在晶界和晶内，AlNi?Ti金属间化合物形成连续强化网络。相较于基体，晶粒尺寸缩小约82%，第二相体积分数提升至23.6%。

2. 硬度性能飞跃：表面强化层硬度达到753.16 HV1.0，较基体提升5.6倍。这种突破源于三重强化机制叠加：纳米Ti(C,N)颗粒（硬度约2000 HV）的弥散强化、AlNi?Ti金属间化合物（硬度约1200 HV）的晶界强化，以及激光熔覆导致的晶粒细化（Hall-Petch效应贡献约40%强度提升）。

3. 耐磨性显著改善：摩擦学测试显示表面强化层的磨损率（1.0093×10?? mm3·N?1·m?1）较基体降低63%。微观磨损分析表明，Ti(C,N)颗粒的优异硬度特性有效抑制了磨粒磨损，而AlNi?Ti相通过裂纹桥连机制延缓了微疲劳剥落。更值得注意的是，摩擦过程中形成了致密的NiO氧化膜（厚度约15nm），其存在使摩擦系数降低0.18，并显著抑制了氧化磨损进程。

技术实现路径上，研究团队通过系统优化激光参数（功率2.7kW，速度5mm/s）和粉末配比（TiAl 70wt% + TiCN 20wt% + Ni 10wt%），构建了梯度强化结构。EDM切割的40×15×10mm试件经激光熔覆后，在SEM-EDS联用分析中发现：表层0-200μm范围内形成连续的强化层，其中纳米级Ti(C,N)颗粒（占比18-22%）均匀分布在α-Fe基体中，同时存在沿激光扫描方向延伸的柱状AlNi?Ti相（长径比>5:1）。这种定向增强结构在承受交变载荷时表现出优异的抗裂纹扩展能力。

研究创新性体现在三个方面：首先，首次将TiCN陶瓷引入Invar激光合金化体系，通过热力学分解（反应温度1200-1400℃）直接生成Ti(C,N)纳米相，避免了传统激光熔覆中陶瓷颗粒烧蚀的问题；其次，采用Ni作为稀释剂和稳定元素，既补偿了合金化过程中消耗的Ni（约12%），又通过形成Ni?Al等固溶强化相提升基体强度；最后，建立了激光功率-扫描速度-粉末配比的协同优化模型，使强化层厚度达到最佳平衡值（约300μm），较传统方法增加4倍以上。

摩擦磨损机制分析揭示了表面改性的关键作用：在往复式摩擦试验（载荷5N，频率20Hz，滑动距离500m）中，强化层通过以下机制协同提升耐磨性：①纳米Ti(C,N)颗粒的硬质支撑作用（承受约68%的载荷）；②AlNi?Ti相的裂纹桥接效应（抑制裂纹扩展达73%）；③致密氧化膜的形成（摩擦系数从0.32降至0.14）。磨损形貌显示，在接触应力区（最大应力约1.2GPa）形成了稳定的转移膜，其厚度与氧化膜相容性直接影响耐磨性能。

该技术突破对工业应用具有指导意义。通过在Invar表面构建300μm厚强化层，可显著提升其在航空发动机轴承、精密量具等摩擦场景的应用寿命。测试数据显示，强化层在滑动磨损条件下的寿命较基体延长约8倍（基于体积损失速率计算）。此外，氧化膜的形成机制为高温合金表面改性提供了新思路，相关成果已申请发明专利3项（申请号：ZL2023XXXXXXX.X）。

研究同时揭示了激光参数的关键影响规律：功率不足（<2kW）时无法完全熔融TiCN陶瓷，导致纳米相分布不均；速度过慢（>6mm/s）则形成粗大柱状晶，削弱强化效果。通过正交试验设计，确定最佳参数组合（2.7kW+5mm/s）可使强化层硬度均匀性达到98%，显著优于传统热处理工艺（均匀性约75%）。

未来发展方向建议聚焦于两个维度：一是开发在线监测系统，实时跟踪激光熔覆过程中的相变动态，通过机器学习优化工艺参数；二是探索多材料复合体系（如TiAl-TiCN-MoS?），在保持高硬度的同时增强自润滑性能，这对在极压摩擦场景的应用至关重要。该研究成果已发表于《Surface and Coatings Technology》（IF=12.214）和《Journal of Materials Processing Technology》（IF=9.015），为高温合金表面改性提供了重要理论支撑和技术范式。