引言
钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金，因具有质量轻以及耐高温等优点，可用于制作轻质高强零部件。 目前，世界上已研制出数百种钛合金，我国已研制的钛合金有 70 多种 [1] 。 在新型钛合金研究方面，我国水平与国外相当，但在传统合金如 TC4 合金挖潜方面，我国远落后于国外。
TC4 合金属于（α＋β）双相合金，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁、相容性好等优点。 该合金自 1954 年被美国研制成功后，就凭借其良好的综合力学性能成为钛合金工业中的王牌 [2] ，也是我国航空领域最先实现应用的钛合金。 随着 TC4 合金铸件质量的不断提高，其被广泛应用于飞机构件，如波音飞机上吊装 CF6-80 发动机的安装吊架采用了 TC4 合金精铸件，超大型宽体空客 A380 飞机上的发动机挂架选用了 β 退火的 TC4 合金，大飞机 F／ A-22 战斗机机翼上的侧机身接头、V-22 倾转式旋翼机上的转接座等都使用了TC4 合金精铸件。 但是 TC4 合金摩擦系数高、硬度低的缺点会使零部件在服役过程中磨损，导致设备停产、报废，产生直接或间接的经济损失，这限制了其应用与推广。
激光熔覆是改善 TC4 合金表面性能的先进改性技术，通过预置涂层或同步送粉的方式在 TC4 基体表面加入熔覆材料，再利用高能密度的激光束加热，使熔覆材料和基材表面薄层迅速熔化，然后凝固形成具有特定性能的改性层 [3] 。 研究者发现，熔覆材料直接决定熔覆层的服役性能 [4] ，因此学者们对激光熔覆材料进行了大量的研究。 本文根据材料成
分构成将激光熔覆材料分为金属及金属合金粉末、陶瓷粉末、纳米陶瓷粉末、金属-陶瓷复合粉末及其他粉末，并介绍了各类粉末的优缺点和应用场合。
1、金属及金属合金粉末
金属及其合金具有极高的硬度，但是不耐高温，适合在400～900 ℃下使用。 在金属合金粉末中，关于自熔性合金粉末的研究与应用最多。 自熔性合金粉末是指加入具有强烈
脱氧作用元素的合金粉末，如 Ni 基自熔性合金粉末、Fe 基自熔性合金粉末。
黄果等 [5] 在 TC4 合金表面激光熔覆纯 Fe 粉，发现熔覆层中主要含有 BCC、HCP、LAVES 等物相，HCP 相主要为TiO、Fe 2 C、V 5 Al 3 C 0.6 ，LAVES 相为 FeTi 2 和 Fe （Ti， Al） 2 ，BCC相主要为 Fe 和 Ti；TiO、Fe 2 C、V 5 Al 3 C 0.6 等相弥散分布在激光熔覆层中，提高了熔覆层的硬度。 余鹏程等 [6] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 NiCrBSiFe 合金粉末，生成了以 γ-（Ni， Cr， Fe）为基体，以 TiC、TiB 2 和 CrB 为增强相的涂层。 该涂层的平均硬度为 950HV 0.5 ，约为钛合金基体的 3 倍，且其在室温下的摩擦系数和磨损量均低于高温下。 许瑞华等 [7] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 NiCoCrAlY 自熔性合金粉末，并研究了扫描速度对 TC4 合金组织及硬度的影响。 结果表明，熔覆层气孔率和裂纹率均随着扫描速度的增加而增大，但合金组织逐渐得到细化，由枝状晶变成胞状晶，熔覆层硬度也得到提高。
2、陶瓷粉末及纳米陶瓷粉末
陶瓷材料具有高硬度、高熔点、低韧性等特点，在激光熔覆过程中可以作为增强相使用，根据陶瓷材料的化学成分可以将其分为氧化物粉末、碳化物粉末、硼化物粉末、氮化物粉
末等，其常被用于制备高温耐磨、耐腐蚀涂层和热障涂层 [8] 。张松等 [9] 在 TC4 基体表面激光熔覆了 Cr 3 C 2 和 Ti 混合粉末，制备出原位自生 TiC 颗粒增强钛基复合涂层，研究发现，原位生成的微米级的 TiC 颗粒弥散分布在熔覆层中，为获得均质的熔覆层提供了可靠的保证。 王培等 [10] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 h-BN 陶瓷粉末，制备出自润滑涂层。 结果表明：熔覆层表面平整，生成了 TiN、TiB、TiB 2 等硬质相，且熔覆层与基体呈冶金结合；适当增加润滑相 h-BN 含量可以改善熔覆层润滑性能，降低熔覆层的摩擦系数。
由于陶瓷粉末的热膨胀系数与 TC4 基体相差较大，在激光熔覆过程中易出现裂纹、空洞等缺陷，因此有学者尝试在TC4 基体表面激光熔覆纳米陶瓷来降低其裂纹率。 纳米陶瓷是指晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都处在纳米水平（1～10 2 nm）的陶瓷材料 [11] ，极小的粒径、高浓度晶界和晶界原子以及尺寸效应可有效缓解界面应力集中，减少熔覆层中的裂纹、气孔等缺陷，赋予熔覆层良好的力学性能 [12] 。 王宏宇等 [13] 在 TC4 合金表面激光熔覆镍基合金粉末与纳米氧化铈混合粉末制备镍基复合涂层，研究发现，添加纳米氧化铈后熔覆层的物相组成没有发生变化，树枝晶 β-Ti变短、变小，胞状晶 Ni 3 （Al， Ti）分布更加均匀，裂纹和空洞等缺陷消失，这表明纳米氧化铈的加入可改善熔覆层与基体的结合性能。 刘丹等 [14] 采用 CO 2 激光器在 TC4 基体表面熔覆纳米 TiC、微米 TiB 2 与 Ni 的混合粉末制备出陶瓷复合涂层，熔覆层无气孔、裂纹等缺陷，硬度高达 863HV 0.2 ，磨损量仅为基体的 3.5％，耐磨性显著提高。 Li 等 [15] 在 TC4 合金表面激光熔覆了纳米 Y 2 O 3 和 CeO 2 ，制备出 CaO-SiO 2 激光熔覆涂层。 结果表明，Y 2 O 3 和 CeO 2 稀土颗粒可以细化熔覆层组织，改善基体性能。
3、金属-陶瓷复合粉末
由于单一材料（如金属及合金、陶瓷材料）的性能无法满足新技术发展的要求，因此许多学者将注意力集中在复合材料的研究上。 金属陶瓷复合材料是复合材料的典型代表之一，其性能取决于所选用金属和增强物的特性、含量、分布以及界面状态。 借助激光熔覆技术可将金属的强韧性和陶瓷材料的耐磨、耐高温性结合起来，以满足实际工作生产中对
强度、韧性、耐磨、耐蚀等性能的要求，是目前激光熔覆技术领域的研究热点。 金属陶瓷复合材料中金属占总质量分数的 60％以上，因此复合材料仍保持金属特有的导热性和导电性，而良好的导热性可以有效减少构件受热后产生的温度梯度，防止飞行器构件产生静电聚集，其通常被应用于对尺寸稳定性要求高的构件中。 目前研究的金属陶瓷复合粉末主
要分为钛基陶瓷复合粉末、镍基陶瓷复合粉末、钴基陶瓷复合粉末、TiAl 基陶瓷复合粉末。
3.1 钛基陶瓷复合粉末
Ti 基复合材料是指钛基合金粉末与陶瓷粉末的混合粉末，采用该粉末制备的熔覆层具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、生物相容性好的特点。 因此，Ti 基复合材料已成为航空发动机、火箭结构和涡轮发动机的首选材料。
Kooi 等 [16] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti 与 TiB 2 混合粉末，成功制备了 Ti-TiB 钛基复合涂层，熔覆层中的 TiB 呈细针状、板条状和粗针状三种形态，且所有的 TiB 均由稳态
B27 和亚稳态 Bf 组成。 Kooi 等还揭示了 TiB 在快速生长条件下的三种组织形态及演变机理。 武万良等 [17] 在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti＋TiC 粉末，并分析了钛基复合涂层的制备过程、质量、工艺性、制造成本及增强效果等，证实了激光熔覆 Ti＋TiC 复合粉末制备 TiC／ Ti 复合材料具有可行性。 孙荣禄等 [18] 用 CO 2 激光器在 TC4 合金表面激光熔覆了 Ti＋TiC 金属陶瓷涂层，对熔覆层的微观组织和干滑动摩擦性能进行分析发现，TiC 颗粒部分溶解，涂层显微硬度在 900～ 1 100HV之间，质量磨损率为 TC4 基体的 1／3。
相对于外加增强的钛基复合材料，原位增强的 Ti 基复合材料因良好的界面结合状态而具有更好的疲劳性能和断裂韧性。 杨光等 [19] 以 Ti 和 Cr 3 C 2 混合粉末为成形材料，采用
CO2 激光器在 TC4 合金表面进行激光快速成形制备原位自生 TiC 颗粒增强钛基复合涂层。 研究发现：在室温干摩擦条件下，熔覆层与基体磨损体积比为 1／46.6，磨损机制以磨粒磨损为主；在 500 ℃ 高温干摩擦条件下，熔覆层与基体的磨损体积比为 1／2.8，摩擦系数大幅下降。
3.2 镍基陶瓷复合粉末
镍基陶瓷复合粉末是指镍基合金与陶瓷的混合粉末，采用该粉末制备的熔覆层具有良好的韧性、耐冲击性、耐蚀性、耐热性及润湿性，且价格适中。 这使其成为激光熔覆材料中
研究最多、应用范围最广的粉末。
秀世杰等 [20] 在 TC4 基体表面激光熔覆 Ni60＋10％h-BN粉末制备镍基陶瓷复合涂层，并研究时效处理对熔覆层性能及组织的影响。 研究发现，高温时效处理前后熔覆层的物相组成基本不变，平均显微硬度由 1 162HV 0.2 降为 910HV 0.2 ，摩擦系数由 0.225 升高到 0.375，但较于基体仍有较好的耐磨减摩性，说明镍基陶瓷复合涂层具有良好的高温稳定性。 孟祥军等 [21] 在 Ni80Cr20-Cr 3 C 2 金属陶瓷粉末中添加 20％CaF 2 ，并将其熔覆在 TC4 合金上制备镍基复合涂层，由于陶瓷相与润滑相的存在，熔覆层的硬度较基体提高了 3～4 倍，摩擦系数降低为 0.21，在高温 600 ℃的条件下仍表现出优良的高温自润滑性能。 孙荣禄等 [22] 以 Ni 基合金粉末和 TiN 为熔覆粉末，采用激光熔覆技术在 TC4 合金表面制备了 TiN 颗粒增强Ni 基复合涂层，基体上均匀分布着针状 M 23 C 6 相和 TiN 颗粒，熔覆层显微硬度在 10 000 MPa 左右，熔覆层中颗粒强化和固溶强化等的相互作用大幅提高了 TC4 合金的耐磨性能。
范红梅等 [23] 以金属陶瓷 NiCr-Cr 3 C 2 和自润滑颗粒 CaF 2 复合粉末为熔覆材料，采用激光熔覆技术在 TC4 合金表面制备出自润滑复合涂层，该涂层的平均硬度为 1 150HV 0.3 ，摩擦系数和磨损率显著低于基体，表明涂层具有较好的耐磨性。
3.3 钴基陶瓷复合粉末
钴基陶瓷复合粉末是钴基合金与陶瓷的混合粉末，采用该粉末制备的涂层具有良好的耐高温性、耐热震性、耐腐蚀性和耐磨损性，常被应用于石化、电力、冶金等领域。 钴基合
金粉末虽然具有良好的综合性能，但较高的价格限制了其应用范围。
李春燕等 [24] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Co-WC 混合粉末制备钴基陶瓷复合涂层，当 WC 添加量为 15％～45％时，熔覆层与基体形成良好的冶金结合，熔覆层硬度随着 WC 含量的增加逐渐增大，最高可达 29.54HRC，是基体硬度的 2～3 倍；当 WC 含量超过 45％时，熔覆层硬度反而逐渐降低，且熔覆层内出现裂纹等缺陷。 方正极等 [25] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Co 基合金粉与 TiB 混合粉末，熔覆层中生成了以 γ-Co 为主要基体的多种增强相，TiC、Co 4 B 等增强相均匀分布在熔覆层中，提高了熔覆层的硬度（硬度最高可达 1 003HV）。 同时，增强相在摩擦磨损实验过程中承受了大部分的作用力，降低了熔覆层的摩擦系数，使熔覆层的耐磨性显著提高。 刘铭坤等 [26] 通过在 TC4 基体表面激光熔覆 Co 基合金粉、Ti粉、活性炭制备了钴基复合涂层，TiC（硬度高、耐磨性好，能够阻碍组织中的位错移动，在熔覆层中起到抗磨的作用）、β-Ti 与 Ti 2 Co 均匀分布于涂层中，熔覆层显微硬度约 650HV；在49～147 N 载荷下，熔覆层具有优异的室温干滑动摩擦磨损性能。
3.4 TiAl 基陶瓷复合粉末
相比于传统钛合金，TiAl（Al 占 43％ ～48％）合金质量轻且耐高温性更好，对航空航天部件的减重意义重大。 但 TiAl合金脆性较大（Al 含量较多导致），限制了其广泛应用。
李嘉宁等 [27] 在 TC4 合金表面激光熔覆 Ti 3 Al＋TiB 2 混合粉末制备出 Ti 3 Al 基陶瓷复合涂层，当 TiB 2 陶瓷粉末添加量低于 50％时，熔覆层组织的细化程度、硬度及耐磨性与 TiB 2添加量成正比；当 TiB 2 添加量高于 50％时，涂层脆性增大，在摩擦磨损实验中产生裂纹，导致其耐磨性下降。 Liu 等 [28] 在TC4 合金表面制备了 TiN／ Ti 3 Al 金属间化合物复合熔覆涂层，发现 TiN 初生相和 Ti 3 Al 均匀分布在熔覆层中，熔覆层显微硬度可达 844HV 0.2 。
4、其他粉末
为强化熔覆层性能，研究者发现在上述熔覆粉末中添加少量具有特定性能的其他粉末可以显著改善熔覆层性能。添加的粉末根据其功能不同可以分为稀土及其氧化物粉末、固体润滑剂粉末、包覆型粉末。
4.1 稀土及其氧化物粉末
目前，研究较多的是 Ce、La、Y 等稀土元素及其氧化物CeO 2 、La 2 O 3 、Y 2 O 3 。 这些稀土元素易与其他元素发生化学反应，生成稳定的化合物，在激光熔凝过程中可以作为结晶的外来核心，增加形核率，细化枝晶组织，使熔覆层组织变得均匀且致密，提高熔覆层性能；同时在熔覆层中还起到净化熔池、减少熔覆层缺陷的作用。何星华等 [29] 选用合适的激光熔覆参数在 TC4 合金表面激光熔覆了镍粉和氧化镧混合粉末，制备出镍基复合涂层。
研究发现：La 2 O 3 不仅使涂层更加均匀致密，还改变了涂层的物相组成；添加 La 2 O 3 的镍基复合涂层的摩擦系数（0.41）低于未添加 La 2 O 3 的镍基复合涂层（0.52）。 马永等 [30] 在 TC4合金表面激光熔覆 TiB 2 、TiC 和 Y 2 O 3 稀土氧化物混合粉末制备钛基陶瓷复合涂层，当添加 4％的 Y 2 O 3 时，熔覆层形核率显著提高，枝晶间空隙减少，熔覆层中部组织明显细化，熔覆层硬度高达 1 404.6HV 0.2 （较基体硬度有了明显提高），摩擦系数明显降低，耐磨性显著提高。 朱快乐等 [31] 采用激光熔覆技术在 TC4 基体表面原位反应合成 La 2 O 3 -TiB 增强钛基复合涂层，当 La 2 O 3 添加量为 3％时，熔覆层中的增强相 TiB 较为细小且分布均匀，熔覆层硬度约为 1 300HV；添加不同质量分
数 La 2 O 3 的熔覆层均与基体结合良好。
4.2 固体润滑剂粉末
固体润滑剂的润滑性能主要依靠其在 TC4 基体表面形成的低剪切力转移润滑膜，该膜使熔覆层具备自润滑能力。
固体润滑剂是很好的润滑材料，具有超低蒸气压的特性，在真空条件下不易挥发，是比较理想的真空润滑材料 [32] 。 常用的固体润滑剂有硫化物、石墨等。
高秋实等 [33] 通过 IPG YLS-5000 光纤激光器在 TC4 基体表面激光熔覆了 Ni60、TiN 和 MoS 2 混合粉末，制备出含有TiN、TiMo、TiNi 增强相及 MoS 2 、TiS 润滑相的镍基复合涂层。
复合涂层的硬度最高可达 1 137.1HV 0.3 ，摩擦系数为0.319 9，较 TC4 基体均有了较大提高。 为拓宽 TC4 合金表面耐磨自润滑复合涂层的研究领域，罗健等 [34] 在 TC4 合金表面激光熔覆了四种不同 WS 2 含量的 NiCr／ Cr 3 C 2 -WS 2 层，并研究了WS 2 含量对钛合金表面激光熔覆层组织及性能的影响。 结果表明，WS 2 固体自润滑剂改善了熔覆层的摩擦学性能，WS 2添加量为 30％的熔覆层摩擦学性能最佳。 石皋莲等 [35] 以NiCr／ Cr 3 C 2 和 WS 2 混合粉末为原料，采用激光熔覆技术在TC4 合金表面分别制备了 γ-NiCrAlTi／ TiC、γ-NiCrAlTi／ TiC＋TiWC 2 ／ CrS ＋Ti 2 CS 高温耐磨自润滑复合涂层。 研究发现，γ-NiCrAlTi／ TiC 和 γ-NiCrAlTi／ TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 复合涂层的摩擦系数在实验温度下均远低于 TC4 基体，γ-NiCrAlTi／TiC＋TiWC 2 ／ CrS＋Ti 2 CS 则表现出良好的高温自润滑减摩性能。
4.3 包覆型粉末
陶瓷粉末及固体润滑剂在高能激光的作用下易氧化分解和上浮飞溅，通过 Ni 包覆层的保护作用可以避免固体润滑剂和陶瓷粉末在激光熔覆过程中与激光发生直接反应而被分解，从而最大限度地保留在熔覆层中，提高熔覆层的摩擦学性能。
林熙等 [36] 以 TC4＋20％Ni／ B 4 C 为熔覆粉末在 TC4 基体表面制备了钛基复合涂层，TiC、TiB、TiB 2 和 Ti 2 N 等陶瓷相均匀分布在涂层中，且在涂层中检测出未熔的 B 4 C 颗粒。 涂层的平均硬度最高为 851HV 0.3 ，较基材提升了 2～3 倍，摩擦因数稳定在 0.74～0.78。 孙荣禄等 [37] 采用激光熔覆技术在 TC4合金表面制备了 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 复合涂层，经过原子氧辐照后，复合涂层材料性能未发生明显改变，在真空与大气两种环境下仍具有良好的减摩效果，表明 NiCrBSi＋Ni／ MoS 2 复合涂层具有一定的抗原子氧辐照能力。
5、存在的问题及解决方案
国内学者对改善 TC4 合金表面硬度、耐磨性、抗高温氧化性等进行了大量研究，并取得了丰富的成果。 但是很少有学者关注如何改善熔覆层裂纹问题，而熔覆层的应用范围受
限归根结底是裂纹的问题未得到有效解决。
在 TC4 合金表面进行单道激光熔覆实验时，激光熔覆层中产生的残余应力较小，不易出现裂纹，在该熔覆层基础上进行搭接熔覆时，残余应力会相互叠加，当此残余应力超过
熔覆层的屈服强度时就会出现裂纹 [38] 。 图 1 为金属-陶瓷熔覆层中产生的裂纹及局部放大图。 在实际生产中，多是使用多道搭接的熔覆层，如修复大面积的零件表面或者进行表面涂覆，因此改善熔覆层的裂纹问题具有重要的意义。
熔覆层中产生裂纹的原因较为复杂。 学者在考察熔覆材料、激光工艺参数、工艺处理条件和基体等因素对激光熔覆层裂纹率的影响时，发现熔覆材料的影响排在首位 [39] 。 熔
覆材料导致裂纹的原因及解决方案如下：
（1）熔覆材料与基体的热膨胀系数差异容易引起裂纹。
通常陶瓷的热膨胀系数小于金属，在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷材料时，根据文献 [40] 可知温度梯度与热膨胀系数的差异是产生应力的主要原因。 在选择熔覆材料时应遵循熔覆材料与基体的热膨胀系数相近原则，尤其是在 TC4 合金表面激光熔覆陶瓷粉末时，在保证所要达到的性能同时应尽量选择热膨胀系数与 TC4 基体接近的陶瓷材料，如 SiO 2 、TiO 2 和ZrO 2 ，以减小由热膨胀系数差异所造成的残余应力 [41] 。 预热基体也可以降低温度梯度，减缓熔覆层的冷却速度，降低裂纹率 [42] 。 根据 Wu [43] 的研究可知，适当控制熔覆层中陶瓷相的含量也可以降低裂纹率。
（2）由于激光熔覆的急冷急热作用，在熔覆层中易生成硬质相及夹杂物等裂纹源，随着温度的不断降低，应力增大，裂纹源会沿着枝晶扩展形成裂纹。 近年来兴起的原位反应
自生陶瓷相技术在以陶瓷相为增强相的同时又避免了其成为裂纹源，如原位自生 TiC 颗粒增强钛基复合材料。 实验发现，采用激光重熔处理也有一定的效果，即在熔覆后的熔覆
层上再熔覆一次，有利于排除由第一次激光熔覆产生的杂质，消除裂纹源 [44] 。
（3）当熔覆层中的脆性大于韧性时，容易在熔覆层中引起裂纹。 在配制激光熔覆粉末时加入适量的稀土元素可以细化熔覆层组织，改善其韧性，降低裂纹率。 在熔覆粉末中
添加能够在熔覆层中原位生成韧性相的粉末也可以提高其韧性，降低裂纹率 [45] 。 对熔覆后的试样进行热处理释放工件中的残余应力也可以提高材料的强韧性，减少开裂的倾向。
6、结语
随着材料科学及相关技术的发展，我国航空航天工业对材料提出了更高的要求，如高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等。 TC4 合金具有优良的综合力学性能，在航空航天领域受
到特别关注，但其硬度低、耐磨性差，尚无法满足我国对新材料的要求。 目前，我国科研人员对 TC4 合金表面激光熔覆材料进行了大量研究，以期改善 TC4 合金的性能，尽管仍有一些问题需要改进，尤其是熔覆层的开裂问题，但是可以预见，随着众多学者的加入及国家相关政策的扶持，TC4 合金的潜能将被逐渐挖掘并将被应用到更多的领域。
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