一种新型金属间化合物合金激光熔覆涂层的设计、微观结构及其纳米力学性能

时间：2026年1月21日

来源：Journal of Alloys and Compounds

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钛合金表面激光熔覆高硬度涂层及其协同强化机制研究。通过调控激光功率实现TC4基体元素Ti、Al、V的稀释控制，成功制备CoCrFeNiTiAlV中间合金涂层，其显微硬度达998 HV₀.₂，较基体提升2.7倍。涂层由Laves相、B2相和σ相多相组成，协同强化机制显著提高耐磨性和抗疲劳性能，为钛合金表面改性提供新范式。

张斌|邹双阳|李五成|董浩|梁奇|蔡燕

上海交通大学材料科学与工程学院材料激光加工与改性重点实验室，中国上海200240

摘要

激光熔覆是一种有前景的技术，可用于改善TC4（Ti-6Al-4V）钛合金的表面性能，从而解决其在航空航天等苛刻应用中的磨损、腐蚀和断裂问题。本研究利用激光熔覆的固有稀释特性，在TC4合金表面成功制备了一种新型高硬度涂层。系统研究了该涂层的微观结构、相组成、纳米力学行为和强化机制。结果表明，通过调节激光功率来控制Ti、Al和V元素在TC4合金中的稀释率，成功制备了一种新型的CoCrFeNiTiAlV金属间化合物涂层。该涂层的微观结构主要由Laves相和B2相组成，含有少量σ相。新型CoCrFeNiTiAlV合金的平均显微硬度约为998 HV_0.2，是TC4合金的2.7倍。Laves相、σ相和B2相的纳米硬度分别约为12.5 GPa、12.0 GPa和11.6 GPa。CoCrFeNiTiAlV合金的强化机制主要归因于Laves相、B2相和σ相的协同作用：Laves相和σ相形成了一个刚性框架，抵抗变形；而B2相通过协调变形行为提高了材料的延展性和抗裂性。这项研究不仅克服了传统外涂层方法的局限性，还通过可控的元素稀释实现了原位合金化设计，为显著改善钛合金在极端工况下的表面性能和延长使用寿命提供了可靠解决方案。

引言

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金具有低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和高温稳定性，已成为航空航天、汽车、冶金和造船等先进制造领域的重要结构材料[1]、[2]、[3]。然而，尽管在高端应用中表现优异，TC4合金在复杂应力及腐蚀环境下仍易发生磨损和疲劳失效[4]、[5]。这一问题主要源于其本身硬度较低、摩擦系数较高以及耐磨性较差[6]、[7]，这严重限制了其在高耐磨性要求环境中的应用。因此，改善钛合金的表面性能，尤其是硬度和耐磨性，已成为当前材料科学领域亟待解决的问题[8]、[9]。

TC4合金的失效通常从表面开始，因此提升其表面性能在材料研究和工程应用中具有重要意义。为解决这一问题，研究人员提出了多种表面改性技术，如机械合金化、磁控溅射、热喷涂、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和激光熔覆[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。其中，激光熔覆技术因工艺简单、效率高、成分可控、涂层致密且与基材结合牢固[15]、[16]、[17]，近年来成为钛合金表面强化的关键方法。激光熔覆可显著提升TC4合金的表面性能，尤其是在硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面，同时不会损害其原有性能。

关于钛合金表面激光熔覆技术的研究主要集中在优化工艺参数和选择合适的熔覆材料上。多项研究表明，激光熔覆处理可显著提高钛合金的硬度和耐磨性，从而延长部件的使用寿命并扩展其应用范围。例如，王等人[18]通过调节激光功率在TC4合金表面制备了SiC/TC4复合涂层，当激光功率为1600 W时，涂层的平均显微硬度（730.1 HV_0.2）是基材（351.8 HV_0.2）的2.1倍，磨损率仅为基材的38.1%。赵等人[19]使用激光熔覆在TC11基材表面制备了不同B₄C含量的多相Ti-Zr-B-C涂层，发现由于激光束的高能量，涂层中形成了TiB、TiC和ZrC等强化相。随着B₄C含量的增加，强化相的数量增多且分布更均匀，涂层显微硬度达到803.8 HV_0.5，约为基材的2.28倍。王等人[20]还使用电子束熔覆制备了WC-40Co多层涂层，以提高TC4合金的表面硬度。这些涂层由β（Ti, W）、TiCo、(Ti, W)C_1-X、(W, Ti)C_1-X和少量Ti₂Co组成，涂层硬度随层数增加而提高，最大硬度达到15.16 GPa。虽然TC4合金的表面强化主要依靠高硬度复合耐磨涂层实现，但这些外涂层可能导致裂纹和残余应力等问题，影响涂层的长期稳定性和使用寿命。因此，在实际应用中通常需要预热和缓慢冷却等辅助措施来克服这些问题，增加了工艺的复杂性。

近年来，高熵合金（HEAs）因其独特的多元素组成、高熵效应、缓慢扩散和晶格畸变等特性，成为表面涂层研究的热点[21]、[22]、[23]。特别是在钛合金表面的激光熔覆应用中，这些材料能有效提升表面硬度、耐腐蚀性和摩擦性能。例如，何等人[24]使用激光熔覆技术在TC4合金表面制备了FeNiCrTi_0.3Al_0.3涂层，通过添加稀土元素（LaB₆ + B₄C）显著提高了涂层的显微硬度和耐腐蚀性，复合涂层的平均显微硬度达到875.2 HV_0.2，是TC4基材的2.36倍，腐蚀电流密度为1.79 × 10⁻⁵ A/cm²，表明复合涂层形成了比基材更致密的钝化层。董等人[25]通过火花等离子烧结在TC4锭材表面制备了AlCoCrFeNi2.1Tix（HEA-xTi）涂层，发现原始HEA涂层由FCC和BCC相组成，随着Ti含量从0 wt.%增加到0.8 wt.%，BCC相比例增加，涂层硬度从451 HV_0.5提高到484 HV_0.5。张等人[26]通过激光熔覆沉积CoCrMoNbTi_x HEA涂层来提升TC4合金的表面耐磨性和高温氧化性能，涂层主要由BCC、Cr₂Nb和CoTi相组成，Ti含量增加后涂层硬度从622.49 HV_0.2提高到675.76 HV_0.2，摩擦系数从0.63降低到0.57，磨损损失从7.8 mg减少到5.8 mg，氧化重量增加趋势也得到改善。这些研究表明，虽然单相HEA涂层具有较好的强化效果，但在某些情况下可能仍无法完全满足钛合金表面强化的要求。因此，将HEA与其他材料结合使用及采用混合粉末仍是提升钛合金表面性能的有效方法。与其它表面改性技术相比，激光熔覆技术的优势在于能够精确利用基材元素的稀释效应，灵活控制熔覆层成分并主动设计微观结构。传统表面改性技术（如热喷涂、PVD/CVD）依赖外涂层材料，存在涂层-基材界面结合强度不足、成分梯度突变和热膨胀系数不匹配等问题[27]、[28]。本研究的核心创新在于通过精确控制激光功率来调节TC4基材中Ti、Al和V元素的稀释率，实现了CoCrFeNi HEA体系内的原位合金化和多相协同强化，克服了传统外涂层设计在界面兼容性和裂纹、残余应力生成方面的局限性。

为了解决实际应用中因硬度不足导致的钛合金过早失效问题，本研究旨在利用激光熔覆技术在TC4合金表面制备原位合金化的高硬度涂层。选择CoCrFeNi HEA体系作为熔覆材料，该体系具有良好的基体性能（如韧性、耐腐蚀性）。引入Ti、Al和V元素可通过固溶强化和沉淀强化机制进一步提升涂层的硬度、强度等性能。由于Ti、Al和V是TC4合金的主要合金元素，这为原位合金化提供了天然优势。本研究的关键在于通过调节激光功率精确控制这些元素向CoCrFeNi熔覆层的稀释过程，实现了目标成分CoCrFeNiTi_xAl_yV_z合金涂层的原位制备。将全面研究涂层的微观结构、第二相组成和力学性能，并通过“基材元素稀释-相结构演变-性能提升”的关联机制，为开发新一代高性能钛合金表面改性层提供了新范式，对航空航天和能源设备等极端工况下的部件表面改性具有重要应用价值。