通过Ti-Cu电子束堆焊对TC17钛合金进行表面改性与性能增强

《Surface and Coatings Technology》：Surface modification and property enhancement of TC17 titanium alloy via Ti Cu electron-beam cladding

　　

摘要

在本研究中，采用电子束堆焊（EB堆焊）技术在TC17钛合金表面制备了TiCu堆焊层，使用预置的TiCu粉末混合物，名义Cu含量分别为0.5、1、2、5和10 wt%，旨在揭示Cu含量对堆焊层微观结构演变和使用性能的影响。微观结构分析表明，所有TiCu堆焊层主要由α'-Ti和β-Ti组成。随着Cu含量的增加，β稳定化效果更加明显，导致堆焊层中β-Ti含量增加。整体微观结构从细密交织的层片状形态转变为较宽的层片状形态。对Ti–10 wt% Cu堆焊层的代表性EBSD和TEM表征进一步确认了α'-Ti和β-Ti的共存，并揭示了高密度位错结构。TEM-EDS分析表明，Cu在观察区域内总体呈弥散分布，并倾向于在β-Ti区域相对富集。性能测试表明，增加Cu含量可提高TiCu堆焊层的硬度并降低其磨损率。当Cu含量为10 wt%时，堆焊层达到最高硬度7.10 GPa，磨损率降至最低值1.74 × 10^?4 mm³/(N·m)。与硬度和耐磨性趋势不同，TiCu堆焊层的耐腐蚀性并未随Cu含量的增加而持续改善。其中，Ti–1 wt% Cu堆焊层表现出最低的腐蚀电流密度（I_corr）2.10 × 10^?9 A/cm²，显示出最佳的耐腐蚀性。这些结果建立了快速EB凝固条件下Cu依赖的成分–微观结构–性能关系，揭示了较高的Cu含量有利于机械强化和耐磨性，而适中的Cu添加有利于耐腐蚀性，从而为定制TiCu EB堆焊层以满足不同表面使用需求提供了机理基础。

引言

钛合金由于其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的中高温服役稳定性，在航空发动机、承力结构件和高端设备制造中得到广泛应用 [1]、[2]、[3]、[4]。其中，TC17钛合金作为典型的高强度高韧性α + β钛合金，具有较高的强度、断裂韧性和热加工性能，常用于需要高微观结构稳定性、疲劳性能和使用可靠性的关键航空部件 [4]、[5]、[6]。然而，在复杂的服役和制造修复过程中，钛合金表面容易受到摩擦磨损、局部冲击和腐蚀性介质的综合作用。由于其固有硬度和抗粘着磨损能力有限，表面损伤往往优先发生，进一步诱发局部磨损加剧、耐蚀性降低和零件寿命缩短 [7]、[8]、[9]。因此，构建具有高硬度、良好耐磨性和稳定耐腐蚀性的表面改性层，同时不显著改变基体整体强度和韧性，是提高TC17钛合金使用可靠性的重要途径。

目前，热喷涂、电火花沉积和激光堆焊已被广泛应用于钛合金的表面强化和修复 [10]、[11]、[12]、[13]。热喷涂沉积效率较高，但涂层中的孔隙、层间界面和机械结合特性可能限制其致密度和界面可靠性 [10]、[11]。电火花沉积适用于局部强化，但其沉积效率和厚涂层的均匀性有限，且沉积层中可能存在微裂纹或孔隙 [12]、[13]。激光堆焊可实现灵活的组织设计和快速凝固，已被广泛用于在钛合金上制备具有定制相组成和微观结构的冶金结合表面层，从而提高硬度和耐磨性。然而，熔池中的温度梯度、残余应力、裂纹倾向和稀释率波动仍可能影响涂层稳定性 [14]、[15]、[16]、[17]。相比之下，电子束堆焊（EB堆焊）具有高能量密度、清洁的真空环境、快速的束流响应、充分的冶金结合和可调节的稀释行为等优势 [18]、[19]、[20]。其瞬态熔化和快速凝固过程可诱导溶质捕获、过饱和固溶体、亚稳相保留和高密度缺陷结构的形成 [21]、[22]、[23]，为调控钛合金表面微观结构和性能提供了新的可能性。

Cu是用于调控钛合金微观结构和表面性能的重要合金化元素。其引入可改变相组成、晶粒形态、金属间化合物形成和局部强化行为，从而为提高Ti基材料的表面性能提供有效途径。因此，Cu已通过多种加工路线引入Ti基合金，包括电弧增材制造、激光粉末床熔融和激光堆焊，其对面相组成、微观结构演变以及力学和摩擦学性能的影响已得到广泛研究 [24]、[25]、[26]、[27]、[28]。然而，以往研究主要集中在电弧和激光加工，而通过电子束（EB）堆焊将Cu引入TC17钛合金的工作仍较少关注。此外，TC17是一种含有多种β稳定化元素的代表性α + β钛合金，在EB堆焊的快速熔化和凝固条件下，Cu添加如何影响该复杂合金化系统中的相演变仍缺乏充分了解。特别是，在EB堆焊快速熔化和凝固条件下，Cu含量、相组成、微观结构演变以及由此产生的力学、摩擦学和电化学性能之间的关系尚不清楚。

基于上述考虑，采用电子束堆焊技术在TC17钛合金上制备了TiCu堆焊层，使用名义Cu含量分别为0.5、1、2、5和10 wt%的预置TiCu粉末混合物。为系统阐明Cu的作用，研究了Cu含量对堆焊层相组成和微观结构演变的影响，以及对其硬度、磨损行为和电化学腐蚀行为的影响。本研究旨在建立TC17钛合金上TiCu EB堆焊层的成分–微观结构–性能关系，为其成分设计和表面改性提供依据。

章节摘要

样品制备

本研究选择TC17钛合金作为基体材料，其名义化学成分为Ti–5Al–2Sn–2Zr–4Mo–4Cr，如表1所列。将TC17钛合金通过线切割加工成尺寸为30 mm × 30 mm × 5 mm的试样。每个试样的一个30 mm × 30 mm主表面依次使用砂纸打磨和机械抛光，随后在无水乙醇中超声清洗并干燥备用。Ti和

微观结构表征

图2展示了不同Cu含量TiCu堆焊层的整体宏观成形形貌。在当前EB堆焊参数下，所有样品均形成了连续的堆焊层，堆焊区域与周围基体之间边界清晰。在图2的观察尺度下，未观察到明显的宏观成形缺陷，如不连续性、塌陷、球化、宏观裂纹或大规模飞溅。这些结果证实

相演变

在EB堆焊过程中，预置的TiCu粉末层和TC17基体的表层在高能电子束作用下经历瞬态熔化、熔池混合和快速凝固。与传统的平衡凝固或热处理工艺不同，EB堆焊具有集中的热量输入、陡峭的温度梯度和高冷却速率，这显著缩短了熔池中元素扩散的时间

结论

在本研究中，采用EB堆焊技术在TC17钛合金上制备了不同Cu含量的TiCu堆焊层。在快速熔凝条件下，增加Cu含量促进了β-Ti的保留，并使微观结构从细密交织层片转变为较宽的层片状结构，同时未观察到可检测的TiCu金属间化合物相。Cu引起的固溶强化和缺陷强化提高了硬度和耐磨性，其中Ti–10 wt% Cu表现出最佳机械

作者贡献声明

岳明宇：撰写–初稿，可视化，调查，数据整理。杨慎：撰写–审阅与编辑，方法论，经费获取，正式分析，概念构思。李亮：资源。王艳：软件，项目管理。吴一城：验证。徐金凯：监督指导。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的资助（编号：52505462）。

岳明宇|杨慎|李亮|王艳|吴一城|徐金凯

教育部跨尺度微纳制造重点实验室，长春理工大学机电工程学院，长春，130022，中国