激光辅助调控低压冷喷涂制备的 Ti-6Al-4V 涂层中 α2-Ti3Al 相的演变及其摩擦学行为

《Surface and Coatings Technology》：Laser-assisted regulation of α 2-Ti 3Al phase evolution and tribological behavior of Ti-6Al-4?V coatings fabricated by low-pressure cold spray

　　

•激光功率控制相演变和孪晶变形行为；•在700 W时，α?-Ti?Al相关峰减弱，{101ˉ2}孪晶增加；•涂层实现了187.5 μm3/(N·μm)的磨耗率和0.26的摩擦系数。

引言

Ti-6Al-4 V（TC4）是一种代表性的α+β双相钛合金，至今仍是使用最广泛且技术最成熟的钛合金[1]-[5]。它具有密度低、比强度高、热稳定性好及综合性能优异等优点，可广泛应用于航空航天、海洋工业、汽车、电力等行业的承力结构材料[6]-[9]。通过表面改性技术在零件表面制备的TC4合金涂层，通过实现局部修复为全组件更换提供了一种具有成本效益的替代方案[10]。特别是其表面钝化膜（TiO?）可以有效防止高温氧化环境中氧气与基体之间的反应[11]-[13]，从而提高涂层在高温环境下的耐久性和稳定性。然而，随着服役条件的日益苛刻以及航空航天应用中制造精度不断提高，尤其是在高温、腐蚀环境和严重机械载荷条件下，TC4基组件的机械性能要求变得更加严苛。对于承受表面摩擦和冲击载荷的轻量化组件，沉积Ti-6Al-4 V涂层提供了一种有吸引力的策略，既能保持钛合金的固有优势，又能提高表面耐久性。与传统硬质涂层相比，Ti-6Al-4 V涂层具有与钛基基底更好的相容性和更低的密度。然而，Ti-6Al-4 V涂层的摩擦学性能仍受其相对较低的硬度和较差的严重滑动磨损抗力的限制。更重要的是，Ti-6Al-4 V涂层的磨损行为强烈依赖于其微观结构的完整性，包括缺陷分布、界面结合和相组成。微观结构缺陷可以促进裂纹在反复滑动接触下的萌生和扩展，从而通过磨粒磨损、摩擦氧化和剥落促进材料去除。此外，变形和温度引起的相演变可能进一步影响涂层的局部力学响应和磨损行为[14]-[16]。因此，提高微观结构的完整性和稳定性对于增强Ti-6Al-4 V涂层的耐磨性至关重要。

在各种沉积技术中，冷喷涂（CS）凭借其显著优势，如低热输入和材料损伤小，已成为制备/修复TC4合金涂层的主要技术手段[17],[18]。然而，传统冷喷涂对坯料材料的塑性变形能力有严格要求。沉积高强度合金时，颗粒变形不足通常导致涂层致密化不良和界面结合薄弱。此外，相对较窄的加工窗口以及有限的微观结构和性能调控能力进一步限制了传统冷喷涂技术的发展与应用。为了解决这些局限性，剑桥大学O'Neill课题组于2008年首次提出了将激光加热与冷喷涂相结合的方法[19]。随后，Bray等人利用激光辅助冷喷涂（LACS）成功制备了孔隙率低于1%的Ti涂层，标志着这种混合沉积方式的诞生[20]。激光照射同步加热粉末颗粒和基底，显著降低了材料的刚性和颗粒的临界沉积速率。因此，这种热-力耦合使得高硬度和高强度材料的有效沉积成为可能，大大拓宽了加工窗口，同时提高了涂层的密度和结合强度。

广泛的实验观察表明，激光辅助冷喷涂沉积的TC4合金涂层的微观结构和力学性能会受到各种颗粒参数和激光照射强度的影响[21],[22]。这些参数直接由所使用的加工条件决定。Aaron M. Birt和Monnamme Tlotleng等人报道，TC4合金涂层的微观结构和力学性能对激光照射的变化高度敏感，且激光照射有效地促进了颗粒的冲击和沉积[23],[24]。同样，Boruah等人证明，激光辅助冷喷涂工艺不仅增强了涂层的附着力和凝聚力，还提高了显微硬度，同时降低了残余应力[25]。此外，Wang Qiang等人表明，在超声速激光沉积过程中引入激光加热可以显著增强7075Al合金颗粒的塑性变形，并通过提高密度和更均匀的细氧化铝颗粒分散来改善涂层质量[26]。因此，引入激光照射被广泛认为是大幅提高沉积质量和扩展冷喷涂涂层微观结构可控性的有效方法。

值得注意的是，激光辅助沉积合金涂层的性能提升并不简单地源于"热输入越高越好"。文献中已充分证明，随着激光功率的增加，涂层通常表现出孔隙率降低和颗粒变形增强的有利趋势，但过高的局部温升会改变涂层的相组成和微观结构演变路径[27]-[29]。A.I. Gorunov等人报道，激光功率不足会导致工艺稳定性下降和涂层开裂，而过高的激光加热导致表面温度超过1300°C则会引起涂层局部熔化[27]。同样，Li Bo等人研究了激光照射对超声速激光沉积制备的TC4合金涂层沉积效率、致密化和耐腐蚀性的影响，揭示涂层孔隙率随激光照射温度升高先降低后升高，在约800°C时达到最佳致密化[28]。此外，Wang Shouyong等人证明，过高的激光功率会导致显微硬度和耐磨性逐渐退化，伴随主导磨损机制从磨粒磨损向粘着磨损的转变[29]。基于上述分析，确定最佳激光功率窗口（而非简单地追求更高的热输入）对于实现高性能冷喷涂合金涂层至关重要。在可能的微观结构变化中，有序α?-Ti?Al的形成引起了关注，因为它可能对Ti合金的局部变形行为产生影响。α?相可能在适当的成分和热-力条件下形成，由于其有序晶体结构可以限制位错运动。然而，其在冷喷涂Ti-6Al-4 V涂层中的形成和演变，特别是在激光加热和高应变率颗粒冲击同时作用下的情况，仍缺乏充分的理解。Jianhua Yao等人系统地分析了激光照射对涂层性能的影响，并证明增加沉积温度可以显著提高沉积效率，同时促进界面元素扩散[30]。特别是在TiAl合金体系中，Al在高温下的偏析和扩散可能促进α?-Ti?Al等金属间化合物的局部形成[31]。然而，这些相通常伴随着固有的脆性和较低的室温断裂韧性。因此，含有α?-Ti?Al的涂层在摩擦磨损、热冲击和循环载荷条件下更容易发生裂纹萌生、剥落和界面失效[32]-[36]。此外，金属间相的形成还可能破坏原始α/β相的稳定组织框架，导致结构不均匀和残余应力集中，从而抵消激光辅助带来的致密化效益。因此，如何利用激光辅助提高沉积致密化和结合强度，同时抑制或调控α?-Ti?Al等脆性金属间化合物的形成，已成为激光辅助冷喷涂TC4合金涂层亟待解决的关键科学与工程问题。

在本研究中，采用不同激光功率（0至900 W）的激光辅助低压冷喷涂制备了Ti-6Al-4 V涂层。利用SEM、XRD、EBSD、TKD、TEM、纳米压痕和滑动磨损试验，系统研究了激光功率对涂层致密化、相演变、晶体学特征、变形行为、力学性能和摩擦学性能的影响。特别关注了与α?-Ti?Al相关的衍射特征的演变及其与涂层整体微观结构响应的关系。通过将激光输入与颗粒变形、孔隙率、相组成、孪晶行为和磨损性能相关联，本研究旨在阐明激光功率的非单调效应，并确定生产具有改善摩擦学性能的Ti-6Al-4 V涂层的合适加工窗口。

样品制备

TC4粉末的化学成分总结于表1中。坯料粉末的颗粒形貌、内部微观结构和粒径分布如图1所示。粉末颗粒和沉积涂层的微观结构形貌均采用场发射扫描电子显微镜（SEM，Zeiss Sigma 360）进行表征。采用电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒形貌和晶体学特征。

激光功率对涂层微观结构中颗粒变形和材料刚性的影响

图3展示了在不同激光功率（0-900 W）下激光辅助低压冷喷涂沉积的TC4合金涂层的截面宏观、局部及界面SEM形貌。如图3(a-f)所示，涂层厚度和界面孔隙率随激光功率增加而显著变化。如图3(g)所示，涂层中存在大量微孔，在低功率条件下颗粒塑性变形不足。

激光诱导热软化驱动的微观结构演变

研究表明，如图3和图6所示，TC4涂层的微观结构在激光功率从0增加到900 W的过程中先变致密然后逐渐恶化。涂层微观结构的演变主要由两个竞争因素控制。一方面，激光照射预加热沉积颗粒，在冲击前降低其变形抗力[46],[47]。软化后的颗粒在沉积过程中经历更广泛的塑性变形。

结论

在本研究中，系统考察了激光照射功率对激光辅助低压冷喷涂制备的TC4涂层微观结构、变形机制以及力学和摩擦学性能的影响。结果表明，激光功率以非单调方式控制相稳定性、微观结构演变和变形行为，表明过高的热输入对涂层性能不利。在低激光功率下，

作者贡献声明

Binghao Wang：撰写——初稿，方法论，数据整理，概念化。Zhaoru He：撰写——初稿，方法论，调查，形式化分析。Zongsheng Ye：资源，调查，数据整理。Nan Guo：资源，调查，数据整理。Weibiao Xiong：验证，形式化分析。Shuo Zhao：验证，形式化分析。Qiang Wang：监督，项目管理，数据整理。Lingfeng Zhao：验证，形式化分析。Yizhou Shen：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Binghao Wang|Zhaoru He|Zongsheng Ye|Nan Guo|Weibiao Xiong|Shuo Zhao|Qiang Wang|Lingfeng Zhao|Yizhou Shen