用于陶瓷改性 TI6Al4V 基复合材料摩擦学性能评估的标准化激光金属沉积工艺

摘要

本方案通过激光金属沉积技术标准化制备由B₄C和BN增强的陶瓷改性TI₆Al₄V基复合材料。该方法结合了可控沉积、显微组织表征、硬度测试和干滑动磨损性能评估，系统地关联激光能量输入与增强相保留率及摩擦学性能之间的关系。

摘要

本方案概述了一种激光金属沉积方法，用于制备改性的钛-6铝-4钒（Ti₆Al₄V）基体复合材料，通过碳化硼和氮化硼增强以提高硬度和耐磨性。该方法涉及促进 原位 在保留部分未熔陶瓷颗粒以实现有效增强的同时，形成复合相。该工艺通过可控的激光-材料相互作用，促进化学反应并使陶瓷相在钛基体中得以保留。复合材料的制备采用配备同轴送粉系统的定向能量沉积（DED）激光金属沉积（LMD）装置，实现均匀的粉末输送和更稳定的熔池。该方法可通过反应驱动的增强机制和颗粒强化作用，实现对显微组织演化的定制化调控。与传统表面工程方法相比，该技术具有冶金结合、沉积过程中成分可控以及通过调节能量输入实现显微组织调控等优势。在恒定扫描速度和送粉速率条件下，分别在1400 W和2000 W功率下制备了复合层。显微硬度（HV）_0.5) 并在 15 N 和 25 N 载荷下进行了 ASTM G99 干滑动磨损试验。在 1400 W 条件下制备的样品表现出更高的平均硬度和更低的磨损体积，优于在 2000 W 条件下制备的样品。该方案建立了一种标准的系统性方法，用于关联激光能量密度与增强相保留率、微观结构演化及摩擦学性能之间的关系。

引言

增材制造是一种强大的方法，可用于制备具有定制微观结构和力学性能的钛基合金与复合材料^1,2。激光金属沉积（LMD）和选择性激光金属沉积（SLMD）属于定向能量沉积工艺，能够将金属或复合粉末精确送入激光产生的熔池中，实现逐层成形并与基体结合。钛-6铝-4钒（TI₆Al₄V）因其高的比强度、耐腐蚀性以及生物相容性，仍是航空航天、生物医学和工业应用中最广泛使用的钛合金之一^3–5。然而，尽管其整体力学性能优良，TI₆Al₄V在滑动接触条件下表现出中等硬度和相对较差的耐磨性^6,7。

以往关于激光金属沉积及相关定向能量沉积工艺的研究表明，激光加工参数对显微组织、相形成及力学性能具有显著影响^8,9。表面工程策略，包括激光表面处理¹⁰、渗氮、涂层以及传统激光熔覆^{11,12,13,14,15,16}，也已被用于提高表面硬度和耐磨性。然而，基于扩散的处理通常仅形成较薄的改性层，承载能力有限；而机械结合的涂层在高接触应力下则可能产生裂纹或发生剥落。此外，许多激光加工研究虽报道了硬度或耐磨性能的提升，但并未提供将激光参数与增强相保留率、相演变过程及摩擦学响应相关联的详细操作指导。这些局限性限制了其在承受严重摩擦、重复接触载荷或磨蚀性环境工况下零部件中的应用¹⁷。

LMD 相较于粉末床系统具有多项优势，例如原料成分灵活、可实现局部增强相添加以及实时能量输入控制，使其成为制备功能改性表面和金属基复合材料的理想选择^{18,19,20,21,22,23}. 图1 展示了激光金属沉积（LMD）工艺的总体流程，包括同轴送粉、熔池形成、熔覆区、熔合区和热影响区，以及50%重叠的沉积道。本文提出的方案通过提供一种可重复的方法，利用激光金属沉积技术制备改性钛基复合材料，并系统地将激光能量输入与微观结构演变及磨损性能相关联，从而弥补了现有研究的空白。该工作流程整合了粉末制备、激光沉积、微观结构表征、硬度测试和摩擦学性能评估。通过在沉积过程中调控激光功率，该方法可实现对熔池动力学、稀释率、增强相分解行为的调控。 原位 相的形成，这些因素共同影响硬度和耐磨性能。 图2 说明单块钛合金中通常观察到的主要磨损机制₆Al₄V，为评估增强系统提供背景信息。

通过结合多种陶瓷相，改进的增强策略已显示出在提升钛合金力学和摩擦学性能方面的潜力^23,24,25在本方案中，碳化硼（B₄C）和氮化硼（BN）作为增强相被引入激光金属沉积过程。碳化硼具有高本征硬度，并可促进 原位 激光加工过程中碳化钛（TiC）的形成，而氮化硼有助于氮化钛（TiN）的生成，并可能在滑动过程中提供固体润滑效应^26,27,28与渗氮和传统涂层相比，当前基于激光的方法形成的是冶金结合的强化层，而非受扩散限制或机械附着的表面膜。与传统的熔覆工艺不同，强化相的引入和相的形成同时发生 原位 并通过调节激光功率直接控制，从而实现对微观结构演变和摩擦学响应的系统性评估^28,29激光功率的选择尤为关键，因为它决定了熔池温度、增强相的溶解、孔隙形成以及残余应力的发展。^30,31同时引入这些增强材料可在沉积的复合层内实现强化与摩擦性能的协同改善^32,33,34.

本实验方案的总体目标是使研究人员和工业界能够利用激光金属沉积技术制备改性的TI₆Al₄V基复合材料，并定量评估激光功率的可控变化对显微组织、硬度和磨损行为的影响。该方法适用于致力于提升钛合金表面性能的研究人员，尤其适用于航空航天部件、生物医学植入物以及需要更高硬度和耐磨性的高负载滑动系统的应用。

方案

1. 材料准备（材料表）

1. 制备 TI₆Al₄V 基板
   1. 使用精密磨料切割机将 TI₆Al₄V 板材切割成 102 mm × 102 mm × 7 mm 的尺寸。
   2. 在流动水下依次使用粒度为 240、400、600 和 800 的碳化硅（SiC）砂纸对基板表面进行研磨，以去除氧化物和加工痕迹。
   3. 使用粒径为 120 µm 的氧化铝颗粒在 0.4 MPa 压力下喷砂处理表面 60 秒，以增加表面粗糙度。
   4. 使用超声波震荡在丙酮中清洗基板 10 分钟。
   5. 用压缩空气吹干基板。
   6. 将清洗后的基板存放于干燥器中，直至进行沉积处理。
2. 制备混合复合粉末（三路送粉策略）
   1. 根据所需质量分数，称取气雾化 TI₆Al₄V 粉末（15–53 µm）、碳化硼（B₄C）粉末（5–20 µm）和六方氮化硼（BN）粉末（1–10 µm）。
   2. 安装第三个料斗供粉系统。
   3. 将混合好的复合粉末装入三料斗供粉系统。
   4. 设定总送粉速率为 10 g/min，用于沉积。

2. 使用激光金属沉积技术制备复合材料

警告：激光金属沉积使用高功率激光辐射和熔融金属。操作人员必须佩戴激光安全护目镜和防护服。应在具有适当通风的受控环境中操作该系统。

1. 配置激光金属沉积系统
   1. 使用配备高功率光纤激光器和同轴粉末输送喷嘴的激光金属沉积（LMD）系统。
   2. 将 TI₆Al₄V 基板牢固地安装在成形平台上。
   3. 以 15 L/min 的流量建立氩气保护，防止加工过程中发生氧化。
   4. 将激光光斑直径设为 2.5 mm。
   5. 将扫描速度设为 1.0 m/min。
2. 沉积复合层
   1. 将激光功率设为 1400 W。
   2. 通过三个料斗同轴送料器以 10 g/min 的速率输送复合粉末。
   3. 施加熔覆层，相邻扫描道之间重叠 50%。
   4. 在整个沉积过程中保持恒定的喷嘴 standoff 距离和稳定的粉末流量。
   5. 在持续氩气保护下，使沉积样品自然冷却至室温。

3. 制备金相样品

警告： 氢氟酸（HF）具有强腐蚀性和毒性，所有含氢氟酸的废液必须按照机构的危险化学品安全规程进行中和并妥善处理。

1. 所有蚀刻操作均须在经认证的化学通风橱内进行。
   1. 操作时需佩戴耐酸手套、面罩和实验服。
   2. 将抛光后的样品浸入试剂中 10–15 秒。
   3. 立即用蒸馏水冲洗。
   4. 用暖风干燥。
2. 切片并安装样品
   1. 使用精密切割机沿包覆方向的垂直方向对制备好的样品进行切片。
   2. 将切片嵌入导电性镶嵌树脂中固定。
3. 研磨和抛光样品
   1. 依次使用粒度为 240、400、600、800 和 1200 的碳化硅砂纸对固定好的样品进行研磨。
   2. 使用 6 µm、3 µm 和 1 µm 的金刚石悬浮液对样品进行抛光。
   3. 用乙醇冲洗抛光后的样品。
   4. 用暖风干燥样品。
4. 蚀刻样品
   1. 通过混合 2 mL 氢氟酸、6 mL 硝酸和 92 mL 蒸馏水配制 Kroll 试剂。

4. 进行微观结构和相表征

1. 进行光学显微镜观察。
   1. 使用光学显微镜检查蚀刻后的样品。
   2. 识别包覆区、熔合区和热影响区。
2. 进行扫描电子显微镜（SEM）分析
   1. 以15–20 kV的加速电压操作扫描电子显微镜。
   2. 分析增强相分布、界面结合情况及微观结构特征。
3. 进行X射线衍射（XRD）分析
   1. 使用Cu-Kα辐射（λ = 1.5406 Å）进行XRD测试。
   2. 在2θ范围为20°–90°内扫描，步长为0.02°。
   3. 利用标准衍射数据库鉴定物相。

5. 测量显微硬度

1. 测试前校准维氏显微硬度计。
2. 使用500 g载荷保持15 s进行维氏硬度测试。在熔覆层横截面上沿五个等距点进行测量。
3. 在熔覆层中心线上至少进行五次压痕测试。
4. 相邻压痕之间的间距应不小于压痕对角线长度的三倍。
5. 计算并报告平均硬度值。

6. 进行干滑动磨损测试

1. 使用往复式球-盘摩擦磨损试验机。
2. 选择直径为 6 mm 的碳化钨对磨副。
3. 施加 15 N 的法向载荷。
4. 设定滑动速度为 0.1 m/s。
5. 保持磨损轨迹半径为 5 mm。
6. 在室温干燥条件下，进行总滑动距离为 1000 m 的试验。
7. 在测试过程中连续记录摩擦系数。
8. 使用扫描电子显微镜（SEM）和表面轮廓仪测量磨损轨迹的尺寸。
9. 通过几何关系计算磨损体积和磨损率。

结果

显微组织表征
在1400 W和2000 W功率下，激光金属沉积均形成了连续的熔覆层，并与TI₆Al₄V基材实现冶金结合。图3展示了在2000 W功率下制备的TI₆Al₄V + B₄C + BN混合复合材料的典型扫描电镜（SEM）显微图像。可观察到明显的熔覆区、熔合区和热影响区（HAZ）。热影响区呈现出针状马氏体组织。增强相颗粒分布在基体中，且在沉积区域可见部分未完全熔化的陶瓷颗粒。同时检测到少量孤立的与气体相关的孔隙。未观察到界面分层现象。

显微硬度评估
维氏显微硬度（HV）_0.5) 沿沉积涂层的中心线进行测量（图 4）平均硬度值为1400 W：572.0 ± 12.4 HV_0.5 (n = 5) 和 2000 W：5...

讨论

本方案展示了激光功率对添加碳化硼和氮化硼增强的改性 TI₆Al₄V 复合材料的微观结构、相形成、硬度及耐磨性能的影响。在 1400 W 下制备的试样平均硬度为 572.0 ± SD HV_0.5 （n = 5），而在 2000 W 下为 538.2 ± SD HV_0.5 （n = 5），表明较低激光功率下硬度提高了约 6%。两种增强涂层的硬度均显著超过单相 TI₆Al₄V 的典型硬度范围（≈320–400 HV_0.5），相对于传统材料值提升了 40–75%。材料表列出了用于评估硬度和耐磨性的材料，表 1 显示了 1400 W 和 2000 W 下的激光参数。表 2 展示了磨损轨迹、行程长度和磨损宽度（mm）的实验测量结果。表 3 为根据磨损测量数据计算得到的磨损体积（mm³）。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
钛-6铝-4钒合金（基材）	Ti–6 wt.% Al–4 wt.% V	板材（102 × 102 × 7 mm）	激光金属沉积的基底材料
钛-6铝-4钒粉末	气体雾化 Ti–6Al–4V	15–53 µm 粉末	复合熔覆层的基体材料
碳化硼（B4C）	B4C 陶瓷	5–20 µm 粉末	主要硬质增强相；提高硬度和耐磨性
六方氮化硼（BN）	h-BN 陶瓷	1–10 µm 粉末	次要增强相；细化晶粒并减少磨损
复合粉末混合物	3.8 wt.% Ti-6Al-4V + 0.1 wt.% B4C + 0.1 wt.% BN	均匀混合的粉末	用于制备 Ti6Al4V 基混合复合材料的原料
保护/载气气体	氩气（纯度 99.99%）	气体	防止激光沉积过程中的氧化
对磨材料	碳化钨（WC）	直径 6 mm 的球体	干滑动磨损试验中的对磨面
磨料介质	碳化硅（SiC）	240–1200 目砂纸	研磨和表面预处理
喷砂介质	氧化铝（Al2O3）	约 120 µm 颗粒	沉积前的表面粗化处理
工艺控制剂	乙醇	液体	防止球磨过程中粉末团聚
腐蚀剂	Kroll’s 试剂（HF + HNO3 + H2O）	化学溶液	用于金相分析的显微组织显示