引用本文
张晓伟, 刘洪喜, 蒋业华, 范氏红娥. 激光铝热还原法制备Al2O3/Ti-Al基复合涂层 . 无机材料学报, 2013, 28(9): 1033-1039
ZHANG Xiao-Wei, LIU Hong-Xi, JIANG Ye-Hua, PHAM THI Hong-Nga. Microstructure of Al2O3/Ti-Al Composite Coatings Prepared by Laser Aluminum Thermal Reduction Processing . Journal of Inorganic Materials, 2013, 28(9): 1033-1039  
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激光铝热还原法制备Al2O3/Ti-Al基复合涂层
张晓伟, 刘洪喜, 蒋业华, 范氏红娥
昆明理工大学 材料科学与工程学院, 昆明 650093
蒋业华, 教授. E-mail: E-mail:jiangyehua@kmust.edu.cn

张晓伟(1984-), 男, 博士研究生. E-mail:zhxw72@163.com

基金:国家自然科学基金(51261013)
昆明理工大学分析测试基金(2010025, 2011008)
摘要

利用Al和TiO2之间的放热化学反应, 采用激光原位合成技术在TC4钛合金基体材料表面制备了Al2O3/Ti-Al金属间化合物基复合涂层。对比分析了激光功率、激光束扫描速度和光斑尺寸变化对激光能量密度变化量的影响程度, 借助X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、能谱仪(EDS)和显微硬度计分别考察了激光束扫描速度对复合涂层表面宏观形貌、截面显微组织结构和显微硬度的影响。结果显示, 扫描速度的变化对激光能量密度变化量的影响程度最大, 光斑尺寸次之, 激光功率的变化影响最弱。随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层表面渐趋粗糙, “鱼鳞纹”状形貌特征趋于明显, 复合涂层与基材结合区厚度减小。激光原位复合涂层主要由k-Al2O3和α-Al2O3增强相与α-Ti和α2-Ti3Al基体相组成。随着激光束扫描速度增大, 复合涂层内k-Al2O3部分转变为α-Al2O3, Al2O3增强相有由枝晶状向纤维状转变的趋势; 复合涂层截面显微硬度自基体至涂层表面过度平缓, 且涂层区显微硬度分布均匀, 明显高于基材平均显微硬度。

关键词: 激光熔覆; 原位合成; 铝热还原; Al2O3/Ti-Al基复合涂层; TC4钛合金
中图分类号:TB333   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2013)09-1033-07
Microstructure of Al2O3/Ti-Al Composite Coatings Prepared by Laser Aluminum Thermal Reduction Processing
ZHANG Xiao-Wei, LIU Hong-Xi, JIANG Ye-Hua, PHAM THI Hong-Nga
Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China
Fund:National Natural Science Foundation of China(51261013);
Analysis and Testing Foundation of KMUST(2010025, 2011008)
Abstract

With composite powders of Al and TiO2 systems as reactants, Al2O3 reinforced Ti-Al matrix intermetallic composite coatings were prepared on the TC4 alloy substrate by laserin-situ synthesis processing. The effects of laser power, laser scanning speed and laser spot size on laser energy density were analyzed, respectively. The macroscopic morphology, cross-section microstructure, and micro-hardness of Al2O3/Ti-Al composite coatings were characterized by optical microscope (OM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectroscope (EDS) and micro-hardness tester. The results show that scanning speed has the greatest impact on laser energy density firstly, then the laser spot size, and then the weakest is laser power. With the scanning speed increases, Al2O3/Ti-Al composite coatings surface become rougher, “fish-scale shape” morphology are more obvious, and the thickness of bonding-zone decreases. The reinforced phase of composite coating is composed of k-Al2O3 and α-Al2O3, while the matrix phase is composed of α-Ti and α2-Ti3Al. And with the increase of laser scanning speed, k-Al2O3 changes into α-Al2O3 partially. The morphology of Al2O3 reinforcement tends to change from dendrite shape to fiber. The micro-hardness of samples has a smooth transition tendency from the substrate to the coating surface. The micro-hardness distribution of coating cross section is uniform, and the average micro-hardness is significantly higher than that of the substrate.

Keyword: laser cladding; in-situ synthesis; aluminothermic reduction; Al2O3/Ti-Al composite coating; TC4 alloy

TC4钛合金(Ti6Al4V)作为国内外使用最广泛的钛合金, 具有高比强、高耐蚀等优良性能, 但其存在表面硬度低和磨损性能差等缺点, 尤其是其高温摩擦磨损性能较差难以满足实际需要[ 1, 2], 从而限制了作为摩擦运动副部件的应用。为了弥补TC4钛合金上述性能缺陷, 采用离子注入、气相沉积、微弧氧化和激光束[ 3, 4, 5]等表面改性技术在该合金表面制备具有优异抗磨损等性能的薄膜或涂层成为有效方法。

基于快速凝固特征的激光原位合成方法, 具有离子注入和气相沉积等表面改性方法所不具备的突出优点, 例如, 可方便地向激光熔池中加入所需的合金和化合物(或单质)粉末, 从而获得化学组成、组织结构及性能完全不同于基体材料的复合涂层。它不仅能对板材表面进行改性, 还可实现复杂形状工件表面的涂层制备, 在材料表面改性与优质涂层制备等方面具有显著的技术优势[ 6, 7, 8, 9]。

从钛合金表面激光原位合成复合涂层材料体系的选择来看, Al2O3具有熔点高(2037~2056 ℃)、硬度大(显微硬度约21 GPa)、化学稳定性好, 无毒无害、成本低廉等特点[ 10, 11, 12], 可以成为钛合金表面复合材料涂层的理想增强相。另外, 激光原位合成复合材料涂层基体相的选择还应遵循热膨胀系数、熔点等热物性参数与TC4钛合金基材相匹配的原则[ 13]。从这个意义上来讲, TiAl金属间化合物在满足上述要求的同时, 还具有良好的高温抗氧化性能, 这使其成为钛合金表面激光原位合成复合涂层的有效基体相。艾桃桃等[ 14, 15]采用热压技术制备了自生Al2O3颗粒增强的TiAl基复合材料; Xiang等[ 16]也采用热压法制备了Cr掺杂的Al2O3/TiAl基复合材料。从目前国内外研究现状来看, 采用激光表面改性技术制备该体系涂层材料的研究鲜有报道。

本工作利用Al和TiO2之间的放热化学反应[ 17, 18], 采用激光原位合成技术在TC4钛合金表面制备出Al2O3/Ti-Al基复合涂层, 重点分析了Al和TiO2在特定成分配比下, 所制备复合涂层表面宏观形貌特征和涂层物相组成与结构随激光束扫描速度的变化规律, 探讨了Al2O3/Ti-Al基复合涂层激光铝热还原法制备的微观机理。旨在为改善TC4钛合金表面高温摩擦磨损性能提供有益途径。

1 实验方法
1.1 样品制备及涂层合成

实验用基体材料为TC4钛合金, 其主要合金元素成分(质量分数, wt%)为: Al 6.02, V 4.0, Fe 0.30, C0.08。试样尺寸80 mm×40 mm×5 mm。激光铝热还原法制备复合涂层前, 试样表面经400#金相砂纸机械磨光, 先用丙酮擦洗, 然后在无水乙醇中超声波清洗5 min, 以去除试样表面残存的氧化物和油污等杂质。试样预置层粉末材料为Al 粉(纯度99.5%, 粒度75 μm)和TiO2粉(纯度99.99 %, 粒度5 μm)。鉴于Al和TiO2在一定条件下可发生以下反应[ 19, 20, 21]: ( m+4 n)Al+3 nTiO2=2 nAl2O3+Ti3 nAl m (1)

涂层成分设计按Al:TiO2摩尔比7:3( n = 1, m = 3)进行配比, 以期得到以Al2O3为增强相, γ-TiAl金属间化合物为基体相的功能复合涂层。

激光铝热还原过程在流量为16 L/h的Ar气保护下进行。由于Al粉和TiO2粉物理性能存在差异, 采用现有单路送粉器难以保证送粉的稳定性和均匀性, 因此, 采用感量为0.1 mg的电子天平按上述比例称量好粉末, 机械混合均匀后在真空干燥箱中干燥48 h, 然后将混合粉末与粘接剂按一定比例预置在TC4钛合金基材表面, 宽度约6.0 mm, 厚度约0.9 mm。

选择Al粉末和TiO2粉末作为预置粉末层材料的另一重要原因是, 二者发生铝热反应所生成的Al2O3氧化物陶瓷和TiAl金属间化合物的热膨胀系数均与TC4钛合金基体材料的热膨胀系数相差较小, α(Al2O3)=8.00×10-6/K, α(TiAl) ≈ 8.00×10-6/K, α(Ti)= 8.20×10-6/K[ 22, 23]。

激光铝热还原法制备Al2O3/Ti-Al基功能复合涂层在GS-TFL-6000型6 kW横流多模CO2激光器及其配套设备上进行。通过焦距为300 mm的铜抛物面反射聚焦镜对激光束聚焦, 焦点位于被处理工件上方50 mm处, 激光光束作用平面为近似圆形光斑, 尺寸约5 mm, 采用单道扫描模式。选用相同激光功率和不同扫描速度三种工艺参数对预置层试样进行复合涂层的合成。具体制备参数及对应试样编号如表1所示。

表1 激光原位合成复合涂层工艺参数 Table 1 Detail experimental parameters in laser in-situ synthesis processing
1.2 涂层性能表征

采用线切割方法自表面涂层沿垂直于激光扫描方向切取, 加工成金相试样。使用 V(HF): V(HNO3): V(H2O)=2:1:12的混合溶液对金相试样截面腐蚀15 s后显微组织观察。将涂层表面经800 #金相水砂纸轻微打磨后, 用丙酮和无水乙醇反复清洗数次,用于XRD物相分析。

采用XL30 ESEM-TMP 型扫描电子显微镜及其所附phoenix+OIM一体化能谱仪研究熔覆层截面的组织形态和元素组成。通过D/Max 2200型X射线衍射仪分析复合涂层试样的物相组成。Cu的单色 Kα波长为0.154056 nm, 管压40 kV, 管流30 mA, 采用连续扫描模式, 衍射角范围20°~90°。利用HVS-1000Z数显显微硬度计测量试样截面的显微硬度分布, 载荷4.9 N, 加载持续时间15 s, 自结合面分别向涂层表面和基材方向每隔100 μm测其显微硬度, 同一水平线选三点测试, 取其平均值。

2 结果与分析

激光铝热还原法制备的复合涂层表面宏观形貌与激光能量密度密切相关, 而激光功率、扫描速度和光斑尺寸, 又决定了激光能量密度的大小, 式(2)给出了激光能量密度的表达式[ 24], 即

(2)

式中, Es为激光能量密度(J/mm2); P为激光功率(W); D为光斑尺寸(mm); vs为激光束扫描速度(mm/s)。可以看出, 激光功率的增大与扫描速度和光斑尺寸的减小均会导致激光能量密度增大。为了考察激光功率、扫描速度和光斑尺寸等激光工艺参数的变化量对激光能量密度变化量的影响程度, 对式(2)进行全微分, 即

(3)

由于 P、 D和 vs的取值大小关系为 P> D> vs, 故当 D、 P和 vs取值有微小变化时, 在这三个工艺参数中, vs的变化对 Es变化的值影响程度最大, D的变化对 Es的值影响程度次之, 而 P的变化对 Es的值影响程度最小。也就是说, 扫描速度的变化对激光能量密度变化量的影响最为强烈, 光斑尺寸的变化对激光能量密度变化量的影响程度次之, 而激光功率的变化对激光能量密度变化量的影响程度最弱。因此, 本实验在激光功率和光斑尺寸均保持不变的条件下, 重点考察激光束扫描速度变化对复合涂层宏观形貌的影响规律。

2.1 涂层表面宏观形貌分析

图1为激光功率为3.7 kW时, 预置层经不同扫描速度的激光束辐照后所制备复合涂层的表面宏观形貌。从图1可以看出, 当激光束扫描速度为5.83 mm/s时, 复合涂层表面相对比较光滑; 激光束扫描速度为6.67 mm/s时, 复合涂层表面已开始呈现规则的波纹起伏“鱼鳞纹”状形貌; 当扫描速度增大到7.50 mm/s时, 复合涂层表面变得十分粗糙, 且熔合表面已凹凸不平。也就是说, 随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层表面趋于粗糙。另外, 当扫描速度小于5.83 mm/s时, 基材已发生明显变形, 这也是本实验(表1)采用这三个扫描速度的原因。

图1 激光束不同扫描速度下复合涂层的表面宏观形貌Fig. 1 Macromorphologies of composite coatings under different scanning speed conditions(a) 5.83 mm/s (T1); (b) 6.67 mm/s (T2); (c) 7.50 mm/s (T3)

理论及实验表明, 复合涂层表面平整度在很大程度上取决于熔池内熔体的运动状态, 而熔池熔体的运动状态又与材料表面张力 γ随温度的变化率密切相关[ 21], 表示为 γ=∂σ/∂T。当 γ<0时, 激光熔池内熔体从熔池中心沿径向呈辐射状流动; 当 γ >0时, 熔池内熔体流动方向正好相反, 即熔体从熔池边缘向中心流动。为定性分析激光熔池熔体的运动状态, 表2给出了Al和TiO2的相关物性参数。从表2数据可看出, 虽然Al对波长为10.6 μm的CO2激光吸收系数小于TiO2, 但其熔点仅为TiO2熔点的1/3, 而热导率又远高于TiO2。因此, 当预置层粉末与高能激光束作用时, 粒径较小的TiO2颗粒吸收激光能量后, 在分解为活性[Ti]和活性[O]的同时, 将部分热量传递给Al, 使其熔化从而形成激光熔池。由于熔池内液相Al的表面张力小于固相Al的表面张力, 则熔池内熔体的表面张力随温度的变化率 γ=∂σ/∂T<0。由上述分析可知, 熔体的运动状态理应是从熔池中心沿径向呈辐射状流动。另外, 在本实验中, 随着扫描速度的不断增加, 激光束光斑与预置层材料相互作用的时间逐渐变短, 激光能量密度逐渐减小, 导致熔池具有更高的冷却速率, 熔池内熔体流动趋势随之变弱, 使得原位合成的复合涂层表面熔合质量开始变差。上述激光束作用下的熔池化学反应过程也势必会受较大影响, 具体将在涂层XRD物相分析一节中说明。

表2 Al和TiO2相关物性参数[ 22, 25, 26] Table 2 Physical parameters of Al and TiO2[ 22, 25, 26]
2.2 涂层与基材结合区特征

为了考察扫描速度对激光铝热还原反应所制备的Al2O3/TiAl基复合涂层与TC4钛合金基体材料结合区特征的影响, 图2给出了不同激光扫描速度下复合涂层与基体材料结合区的显微组织形貌, 从图中可以看出, 复合涂层试样截面主要由涂层(Coating Zone, CZ)、结合区(Bonding Zone, BZ)和基材(Substrate)三部分组成。复合涂层与基体材料之间均出现一不同厚度的过渡区, 这说明本实验铝热还原反应所制备的复合涂层与基体材料之间形成了冶金结合。从图2还可看出, 涂层与基体材料结合区的厚度随着激光束扫描速度的增大而减小。除此之外, 当扫描速度为5.83 mm/s时(图2(a)), 涂层与基体材料的结合区附近出现少量微裂纹; 扫描速度为7.50 mm/s时(图2(c)), 涂层局部也出现微裂纹; 而当扫描速度为6.67 mm/s时(图2(b)), 涂层组织均匀且致密, 无明显缺陷。由此可见, 在一定的激光功率条件下, 合适的扫描速度有利于制备高质量复合涂层, 也就是说, 激光束与预置层相互作用时间长短在很大程度上影响着涂层与基体材料的结合状态。扫描速度过小或过大均不利于激光铝热还原法制备Al2O3/Ti-Al基功能复合涂层。当扫描速度过小时, 预置层接收到较多激光能量后, 将更多基体材料稀释后参与熔池化学反应, 甚或使基材变形, 损害基材固有力学性能; 当扫描速度过大时, 预置层接收的激光能量较少, 难以完全熔化发生反应, 从而可能导致涂层出现熔合缺陷。

图2 复合涂层与基材结合界面的显微组织Fig. 2 Microstructures of bonding zone of the composite coating at different laser scanning speeds(a) 5.83 mm/s (T1); (b) 6.67 mm/s (T2); (c) 7.50 mm/s (T3)

从以上分析可以看出, 对于确定的预置粉末材料, 为得到组织均匀致密且与基材结合状态良好的复合涂层, 选择合适的激光扫描速度非常重要。

2.3 涂层XRD物相分析

图3给出了扫描速度分别为5.83、6.67和7.50 mm/s时复合涂层表面的XRD图谱。可以看出, Al2O3相均是三者中的主晶相, 未见Al和TiO2的衍射峰, 说明预置层中Al和TiO2之间的铝热反应得以充分发生。再者, 不同扫描速度下铝热还原法制备的复合涂层中都含有一定量的α2-Ti3Al和α-Ti相, 而未出现预期γ-TiAl相, 这可能是由于高能密度激光束作用下的高温激光熔池使低沸点的Al部分烧损, 从而发生反应: 5Al+3TiO2=2Al2O3+Ti3Al (4)

图3 复合涂层表面的XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of the composite coatings at different laser scanning speeds(T1) 5.83 mm/s; (T2) 6.67 mm/s; (T3) 7.50 mm/s

由于 α-Ti和 α2-Ti3Al两基体相的衍射峰位较为接近, 为了准确鉴定复合涂层中的这两种物相, 图4给出了复合涂层表面在较小衍射角度处的XRD图谱。为了确保分析结果的准确性, 在利用XRD物相分析软件Jade5查找相应物相的PDF卡片索引时, 使物相晶面间距 d值的误差范围保持在±0.002 nm。从图4可以看出, 随着激光束扫描速度的增大, 涂层中Ti的(101)和(100)衍射峰逐渐趋于明显, T1试样Ti的(101)和Ti3Al的(201)衍射峰无明显分离, 且Ti(100)的衍射峰微弱; 而T3涂层试样Ti的(101)和Ti3Al的(201)衍射峰已发生明显分离, Ti的(100)衍射峰强度也足够高。这说明激光束扫描速度的增大有利于涂层中Ti相的形成。

图4 复合涂层表面的XRD图谱Fig. 4 XRD patterns of the composite coatings(T1) 5.83 mm/s; (T2) 6.67 mm/s; (T3) 7.50 mm/s

从图3中还可看出, T1、T2和T3试样均含有亚稳定的k-Al2O3相, 而T3试样除含有亚稳定的k-Al2O3相外, 还出现一定量稳定的α-Al2O3相。这说明激光束扫描速度的增大有使k-Al2O3相向α-Al2O3相转变的趋势。查阅Jade5相关数据图表可知, 在涂层中的k-Al2O3相向α-Al2O3转变过程中将发生约6.9%的体积收缩, 这足以引起裂纹或变形(图2(c)), 以至于涂层与基材的粘附性变差。这表明合适的激光工艺参数有利于优质复合涂层的制备。

综上所述, 一方面, 采用激光铝热还原法制备Al2O3/Ti-Al基复合涂层的Al2O3晶型主要为k-Al2O3, 而非稳定的α-Al2O3。这说明采用本实验制备增强相为α-Al2O3的钛基复合涂层要比制备增强相为k-Al2O3的钛基复合涂层困难。另一方面, 激光束扫描速度的增大, 直接导致复合涂层中 α-Ti相含量增多, 并使k-Al2O3相向α-Al2O3相转变。

2.4 涂层截面显微组织

激光铝热还原法制备的Al2O3/Ti-Al复合涂层截面中部显微组织如图5所示。结合XRD(图3)和EDS分析结果(表3)可以看出, 复合涂层内Al2O3增强相表现为枝晶状、颗粒状和纤维状三种不同形态, 均匀分布在α-Ti和Ti3Al基体中。从图5还可以看出, 随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层内Al2O3增强相的形貌逐渐由枝晶状向纤维状转变。尤为重要的是, 当激光束扫描速度增大到7.50 mm/s时, Al2O3已完全转变为纤维状形貌, 这些纤维状组织生长较为发达, 长度分布在几十微米到上百微米之间, 且存在不同方向纤维相互交叉连接的现象, 其最大长径比可达102数量级。

图5 激光束不同扫描速度下涂层截面中部的显微组织Fig. 5 Cross-section microstructures of Al2O3/Ti-Al composite coating at different laser scanning speeds(a)5.83 mm/s (T1); (b) 6.67 mm/s (T2); (c) 7.50 mm/s (T3)

表3 复合涂层EDS结果(at%) Table 3 EDS result of composite coating (at% )
2.5 复合涂层截面显微硬度

图6为复合涂层试样的截面显微硬度分布曲线。可以看出, 不同扫描速度下的涂层试样, 其截面显微硬度自基体至涂层表面过度平缓, 且涂层区显微硬度分布均匀, 这与激光原位合成Al2O3/Ti-Al基复合涂层截面显微组织均匀之现象相一致(图5)。另外, 随着扫描速度的增大, 复合涂层试样截面平均显微硬度值分别为1035.1 HV0.5、1063.5 HV0.5和1212.9 HV0.5, 呈逐渐升高趋势, 且明显高于基材平均显微硬度(225 HV0.5); 当扫描速度为5.83 mm/s和6.67 mm/s时, 复合涂层截面平均显微硬度值变化不大, 而当扫描速度增至7.50 mm/s时, 复合涂层出现了高长径比、高硬度的Al2O3纤维, 导致涂层存在较大熔合缺陷(图2(c)), 这也说明, 采用本实验方案原位合成Al2O3/Ti-Al基复合涂层时, 激光扫描速度不能过大。

图6 不同扫描速度下试样沿层深的显微硬度分布Fig. 6 Microhardness distributions of the composite coatings T1, T2 and T3 samples(T1) 5.83 mm/s; (T2) 6.67 mm/s; (T3) 7.50 mm/s

2.6 复合涂层Al2O3增强体形成机理

因复合涂层选用Al粉和TiO2粉在惰性气体保护作用下进行, 因此, 该复合材料涂层制备时的反应体系实际上是Ti-Al-O三元体系, 理应包含一系列金属间化合物(Ti3Al、TiAl和TiAl3)和多种氧化物(Ti2O3和Ti3O5等)生成的复杂反应过程。为此, 图7给出了Ti-Al-O三元体系在1173 K下的平衡相图[ 27], 从该相图中可以明显看出, 与其它结构的Ti相和Ti-Al相相比, O在具有密排六方结构的α-Ti和有序密排六方结构的α2-Ti3Al中具有较宽的成分范围, 而在 γ-TiAl中的溶解度很小, 除此之外, 此温度下Al2O3与其它相均可平衡存在。这与XRD物相分析基体相为α-Ti 和α2-Ti3Al之结果一致。

图7 Ti-Al-O体系三元相图Fig. 7 Ternary phase diagram of Ti-Al-O at 1173 K

键价理论可以深入理解化合物的结构和性质。利用原子共价半径, 计算得出O-Al键和O-Ti键的共价键键长分别为173.00 和188.03 pm[ 28], 这说明Al2O3的稳定性高于TiO2。另外, 从热力学角度上讲, 化合物的标准摩尔生成焓在一定程度上也可以反映出该物质的稳定性, 根据热力学相关数据可知, Al2O3和TiO2的标准摩尔生成焓[ 22]分别为△ H(Al2O3)= -1676.18 kJ/mol, △ H(TiO2金红石)= -915.6 kJ/mol, 显然, TiO2的标准摩尔生成焓小于Al2O3的标准摩尔生成焓, 这也说明Al2O3的稳定性要高于TiO2。因此, 在高能激光束作用下, 初始反应物中的TiO2有可能分解出O后与Al结合生成Al2O3。这也充分验证了本实验方案原位合成Al2O3/Ti-Al复合涂层的可行性和结果的必然性。

3 结论

1) 利用Al与TiO2之间的放热化学反应, 采用基于快速凝固激光熔覆技术的激光铝热还原法在TC4钛合金基体材料表面原位合成了Al2O3/Ti-Al基金属间化合物复合涂层。涂层主要由k-Al2O3和α-Al2O3增强相与α-Ti和α2-Ti3Al基体相组成。随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层内k-Al2O3部分转变为α-Al2O3。

2) 对比分析了激光功率、激光束扫描速度和光斑尺寸的变化对激光能量密度变化量的影响程度, 结果显示, 激光束扫描速度变化对激光能量密度变化量大小的影响程度最为强烈, 光斑尺寸次之, 激光功率的变化影响最弱。

3) 激光束扫描速度对复合涂层表面宏观形貌和涂层与基体材料结合区特征的影响明显。随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层表面粗糙度逐渐增大, “鱼鳞纹”状形貌特征趋于明显, 复合涂层与基体材料结合区厚度减小。

4) Al2O3增强相形貌与激光束扫描速度的大小密切相关, 随着扫描速度的增大, Al2O3增强相形貌有由枝晶状向纤维状转变的趋势。

参考文献
[1] WANG H M, CAO F, CAI L X, et al. Microstructure and tribological properties of laser clad Ti2Ni3Si/NiTi intermetallic coatings. Acta Mater. , 2003, 51(20): 6319-6327. [本文引用:1] [JCR: 3.941]
[2] ZHANG X W, LIU H X, Wang C Q, et al. Microstructure and high temperature oxidation resistance of TiN/Ti3Al intermetallic composite coatings on Ti6Al4V alloy by laser cladding. Proc. SPIE, 2010, 7843: 21. [本文引用:1]
[3] ALLEN C, BLOYCET A, BELLT T. Sliding wear behaviour of ion implanted ultra high molecular weight polyethylene against a surface modified titanium alloy Ti-6Al-4V. Tribol. Int. , 1996, 29(6): 527-534. [本文引用:1] [JCR: 1.536]
[4] LENG C Y, ZHOU R, ZHANG X, et al. Wear performance of Ti6Al4V alloy modified by Ag+Ta dual-ion impantation. Acta Metall. Sin. , 2009, 45(6): 764-768. [本文引用:1] [JCR: 0.612] [CJCR: 0.835]
[5] YUE L Y, WANG Z B, LI L. Material morphological characteristics in laser ablation of alpha case from titanium alloy. Appl. Surf. Sci. , 2012, 258(20): 8065-8071. [本文引用:1] [JCR: 2.112]
[6] WU C F, MA M X, LIU W J, et al. . Study on wear resistance of laser caldding Fe-based composite coatings reinforced by in-situ multiple carbide particles. Acta Metall. Sin. , 2009, 45(8): 1013-1018. [本文引用:1] [JCR: 0.612] [CJCR: 0.835]
[7] GUO B G, ZHOU J S, ZHANG S T, et al. Microstructure and tribological properties of in situ synthesized TiN/Ti3Al intermetallic matrix composite coatings on titanium by laser cladding and laser nitriding. Mat. Sci. Eng. A, 2008, 480(1/2): 404-410. [本文引用:1] [JCR: 2.108]
[8] LIANG J, GAO M Y, LIU C S, et al. Laser induced in-situ formation of titanium composite coatings. Chinese Journal of Laser, 2009, 36(12): 3272-3276. [本文引用:1] [CJCR: 1.5642]
[9] MAN H C, ZHANG S, CHENG F T, et al. In situ synthesis of TiC reinforced surface MMC on Al6061 by laser surface alloying. Scripta Mater. , 2002, 46(3): 229-234. [本文引用:1] [JCR: 2.821]
[10] 江东亮, 李龙土, 欧阳世翕, 等. 中国材料工程大典: 无机非金属材料工程(上), 第8卷. 北京: 化学工业出版社, 2005: 35. [本文引用:1]
[11] RUPPI S, LARSSON A. Chemical vapour deposition of κ-Al2O3. Thin Solid Films, 2001, 388(1/2): 50-61. [本文引用:1] [JCR: 1.604]
[12] BARBATTI C, GARCIA J, PITONAK R, et al. Influence of micro-blasting on the microstructure and residual stresses of CVD κ-Al2O3 coatings. Surf. Coat. Technol. , 2009, 203(24): 3708-3717. [本文引用:1] [JCR: 1.941]
[13] ZHANG X W, LIU H X, JIANG Y H, et al. Research progress of functional composite coatings on Ti6Al4V alloy surface prepared by laser cladding technique. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(1): 178-183. [本文引用:1] [JCR: 0.16] [CJCR: 0.827]
[14] AI T T, WANG F, FENG X M, et al. Microstructure and mechanical properties of in situ Al2O3 particles reinforced two-phase TiAl-based composites. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(11): 1849-1854. [本文引用:1] [CJCR: 1.09]
[15] AI T T. Microstructures and mechanical properties of in-situ Al2O3/TiAl composites by exothermic dispersion method. Acta Metall. Sin. , 2008, 21(6): 437-443. [本文引用:1] [JCR: 0.612] [CJCR: 0.835]
[16] XIANG L Y, WANG F, ZHU J F, et al. Mechanical properties and microstructure of Al2O3/TiAl in situ composites doped with Cr2O3. Mat. Sci. Eng. A, 2000, 528(9): 3337-3341. [本文引用:1] [JCR: 2.108]
[17] LI Z Q, QU W, HAN J C, et al. Investigation on combustion synthesis and reaction process of Al-Ti-TiO2 system. Journal of Inorganic Materials, 2002, 17(2): 293-298. [本文引用:1] [JCR: 0.531] [CJCR: 1.106]
[18] FENG C F, FROYEN L. Formation of Al3Ti and Al2O3 from an Al-TiO2 system for preparing in-situ aluminium matrix composites. Compos. Part A-Appl. S. , 2000, 31(4): 385-390. [本文引用:1] [JCR: 2.744]
[19] TJONG S C, MA Z Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites. Mat. Sci. Eng. R, 2000, 29(3/4): 49-113. [本文引用:1] [JCR: 13.902]
[20] LIANG S Q, ZHENG Z Q. The microstructure analyses of the combustion wave in Al-TiO2 system by self-propagation high temperature synthesis (SHS). Rare Metal Materials and Engineering, 1993, 22(4): 42-45. [本文引用:1] [JCR: 0.16] [CJCR: 0.827]
[21] AI T T. Microstructure and mechanical properties of in-situ synthesized Al2O3/TiAl composites. Chinese. J. Aeronaut. , 2008, 21(6): 559-564. [本文引用:2] [JCR: 0.438] [CJCR: 0.665]
[22] 李荣久. 陶瓷-金属复合材料, 2版. 北京: 冶金工业出版社, 2004: 12, 21, 24. [本文引用:2]
[23] WANG F, XU H Y, ZHU J F, et al. Ho-doped Al2O3/TiAl composites fabricated by in-situ reaction synthesis. Powder Metallurgy Technology, 2010, 28(1): 34-38. [本文引用:1] [CJCR: 0.527]
[24] ZHANG X W, LIU H X, JIANG Y H, et al. Laser in situ synthesized TiN/Ti3Al composite coatings. Acta Metall. Sin. , 2011, 47(8): 1086-1093. [本文引用:1] [JCR: 0.612] [CJCR: 0.835]
[25] 李俊昌. 激光的衍射及热作用计算(修订版). 北京: 科学出版社, 2008: 394. [本文引用:1]
[26] 师昌绪, 李恒德, 周 廉. 材料科学与工程手册. 北京: 化学工业出版社, 2004: 284. [本文引用:1]
[27] SEIFERT H J, KUSSMAUL A, ALDINGER F. Phase equilibria and diffusion paths in the Ti-Al-O-N system. J. Alloys Compd. ,2001, 317-318: 19-25. [本文引用:1] [JCR: 2.39]
[28] 周公度, 段连运. 结构化学基础, 3版. 北京: 北京大学出版社, 2002: 178. [本文引用:1]