锡青铜因具有良好的导热、导电、耐蚀性、抗疲劳及自润滑性被广泛应用在轴承、配件、齿轮等机械上[1~2]。然而随着工程装备、机械部件不断的向轻型化、轻量化发展，锡青铜难以达到工程机械部件轻量化的目的。TC4钛合金作为重要的结构材料，其密度仅为4.5g/cm3，并且其有高比强度、耐蚀性优良、可焊接好等多种优良的性能，因此被广泛应用于航空航天、工程机械等领域[3~5]。采用锡青铜与钛合金的复合材料，将会大幅减轻构件质量，同时可以提高材料性能。
目前，通过电弧熔覆、激光熔覆、等离子沉积等技术在钢上制备锡青铜熔覆层，得到了性能较为优异的涂层[6~15]。CHENC等[6]、周嘉悦等[7]采用冷金属过渡焊（CMT）的方法分别在薄钢板和钛合金上熔覆了锡青铜合金和紫铜，熔覆层与基体结合良好，形成一定的金属间化合物。边婧如等[8]在Q235钢上等离子熔覆铜合金后再熔覆TA0钛合金，调节了钢与钛合金熔覆层之间的连接。高胡鹤等[9]在低碳钢上熔覆锡青铜时加入VC改善其摩擦磨损性能，发现VC的加入量为15%时，锡青铜涂层的硬度和耐磨性能明显提高，磨损体积仅约为锡青铜涂层的56%。陈杰[10]、白玉超等[11]、邓澄等[12]分别通过激光选择性烧结（SLM）技术制备锡青铜、锡青铜/316L不锈钢层状复合材料、铜钨合金。综上，激光熔覆是一种应用广泛且具有发展前景的表面改性技术，由激光熔覆技术得到的熔覆层具有良好的冶金结合，涂层结构致密、涂层的耐磨性能也会得到较大提高[13-14]。熔覆的工艺参数，尤其是熔覆功率，对熔覆层的品质影响很大。熔覆功率越大，对熔池的热输入越大，单位时间内熔池获得的能量密度越大，会形成较高的温度梯度，从而产成较大的过冷度，使熔覆层的组织得到细化。葛志军等[13]通过激光熔覆技术在黄铜表面熔覆锡青铜修复黄铜工件，通过调控激光熔覆的功率、移动速度等调节熔覆过程的热输入，提高锡青铜熔覆层组织和性能。王新波等[14]在42CrMo合金钢基体上通过高速激光熔覆CuSn12Ni2锡青铜粉末制备锡青铜熔覆层，研究锡青铜与合金钢基体之间的结合情况，发现合金钢基体对锡青铜熔覆层稀释率较低，但熔覆层与合金钢基体之间仍然是冶金结合，结合强度较高。激光熔覆技术较适合在TC4钛合金基体上熔覆锡青铜，实现钛合金取代铜从而达到部件减重，且保持表面铜件的状态。在熔覆层制备过程中，粉体材料形貌、成分、杂质含量等对激光熔覆层[15]组织性能影响显著，一般选用球形粉末有利于激光熔覆过程中粉体的输送与供给，杂质含量尽量低，以避免未知杂质对熔覆层性能造成不良的影响。
本研究通过在TC4钛合金上激光熔覆QSn6.5-0.1锡青铜粉末，以降低铜件的重量，达到减重的目的，同时研究熔覆功率的大小对激光熔覆锡青铜涂层组织及性能的影响，优化熔覆工艺参数，旨在为工程机械部件轻量化应用提供参考。
1、试验材料及检测方法
试验采用TC4钛合金，其主要化学组成见表1，基体为α+β型双相钛合金，见图1。
熔覆粉末材料为200~500目的QSn6.5-0.1锡青铜，其微观形貌见图2，粉末以球形形貌为主，粒径为30~75μm，粉末主要成分见表2。
图3为锡青铜粉末X射线衍射图谱，Sn固溶于Cu中形成固溶体。
采用100mm×10mm×10mm的TC4钛合金板材作为基材。试验前，使用SiC砂纸(240目)去除钛合金表面铁锈，之后用丙酮清洗表面油污，采用ReciFSC2000型激光熔覆机进行熔覆，采用纯度为99.99%氩气作为保护气和送粉气，具体熔覆参数见表3。
通过Quanta-400F扫描电镜及其自带的能谱仪观察熔覆层组织形貌和分析熔覆层中的各相元素组成。采用XRD-6000X射线衍射仪分析熔覆层中的物相组成，测试速度为4°/min，2θ范围为20°~80°，步长为0.02°。通过维氏硬度计（沃伯特402MVD），测试熔覆层的硬度，从涂层顶部到基体依次打点，同一水平位置取3个点的平均值。压头载荷为2N，加载时间为10s。采用HT1000摩擦磨损试验机测量熔覆层摩擦因数，摩擦副为GCr15销盘，试样尺寸为φ400mm×4mm，经800目砂纸研磨后，用无水乙醇超声清洗，载荷为10N，旋转速度为200rad/min，测试时间为30min，频率为3.56Hz，通过精度为0.0001g的分析天平（三量AB301）测试磨损试验前后涂层和销子的磨损质量。
2、试验结果与讨论
2.1熔覆层相与组织分析
图4为不同熔覆功率下锡青铜熔覆层截面形貌。可以看出，不同熔覆功率下熔覆层与基体界限明显，形成了较好的冶金结合，且熔覆层无明显孔洞缺陷。熔覆层主要包含熔覆层区(CZ)、结合区(BZ)、基体区(SZ)3个部分。随着熔覆功率增大，涂层的宏观形貌并未发生较大变化，熔覆层厚度均匀。激光熔覆能量密度大并且热量集中，在激光热源的作用下，锡青铜粉末与TC4钛合金基体表面会吸收热量熔化进而形成熔池[11~12]。根据凝固理论，浸润状态良好的两种金属液会直接在熔池中自发形核而快速凝固结晶，熔池内晶粒连续生长，因此基体与熔覆层会产生良好的冶金结合[13~15]。
图5为不同熔覆功率下熔覆层中部显微组织。可以看出，随着激光熔覆功率增大，熔覆层中部的胞状枝晶数量减少，条状枝晶数量增多，枝晶也更加细长，并且条状枝晶的生长形貌及晶体生长取向更加规整。当激光熔覆功率较小时，熔覆层冷却速度快，熔池中杂质会成为形核中心，阻碍枝晶生长使得枝晶生长碎化，而碎化枝晶尖端部分又可以继续成为凝固的形核中心，在树枝晶周围又形成细小树枝晶使得整个熔覆层组织交错分布[13~14]。随着激光熔覆功率增大，熔池内热输入量增大，导致熔池内温度升高，其内部元素扩散速率加快，冷却过程相对变缓。当激光熔覆功率越大时，熔池内的高温时间相对较长，元素扩散通量也随之增大，熔池内枝晶快速生长，熔覆层中生成大量的条状组织。当激光功率达到640W时，熔覆层中的条状组织进一步加粗。因此随之激光功率的增加熔覆层中的显微组织出现了由胞状组织到条状组织转变。
图6和表4分别为熔覆层形貌及各点EDS分析。由点1可以看出，熔覆层内的胞状晶粒主要以Cu元素为主，还有部分Ti元素，推断黑色相可能为Cu4Ti3相。点2胞状晶粒以Cu元素为主，推断可能为Cu2O相。点3条状晶粒也以Cu元素为主，同时也有部分的Ti元素，推断条状晶粒可能为CuTi相。点4区域以Cu元素为主，同时也有部分的Sn元素，推断可能为Cu10Sn3相。
图7为不同功率下锡青铜熔覆层X射线衍射图。可以看出，熔覆层主要相为Cu10Sn3、Cu6Sn5、Cu4Ti3、CuTi及Cu2O。在激光热源的作用下，锡青铜粉末中的Cu元素快速扩散到钛合金基体中，在熔池中与基体中Ti元素形成不同原子比的铜钛金属间化合物Cu4Ti3、CuTi。快速冷却过程中，还形成了不同原子比的铜锡金属间化合物Cu10Sn3、Cu
2.2熔覆层硬度及耐磨性能分析
图8为不同激光功率下熔覆层顶部到基体的硬度分布。图9为不同激光功率下熔覆层的平均显微硬度。可以看出，在激光熔覆功率分别为400、480、560和640W时，锡青铜熔覆层平均显微硬度（HV0.2）分别为314、357、419及482。可以看出，随着激光熔覆功率的增加，熔覆层显微硬度逐渐增大。在试验室工艺试验过程中，激光熔覆功率400~640W范围内，熔覆层成形良好。在更高功率的工艺试验中发现明显过热开裂现象，因此，工艺优化过程激光功率定为640W，此时锡青铜熔覆层的硬度（HV0.2）达到最高，为482，分别是锡青铜块材、TC4钛合金平均显微硬度的5.24和1.6倍[15]。熔覆层显微硬度提高是由于熔覆层冷却时，熔覆材料Cu，Sn等元素与基体Ti元素扩散均匀，形成Cu-Ti金属间化合物，以及合金元素的固溶强化等原因，使得熔覆层硬度提高显著[15]。
图10不同激光功率下锡青铜熔覆层的摩擦因数。图11不同激光功率下锡青铜熔覆层及销子磨损量。由图10可以看出，锡青铜块材摩擦因数最高约为0.70，TC4钛合金基体的摩擦因数约为0.53。4种不同的激光熔覆功率下摩擦因数相差不大，熔覆功率为560W时摩擦因数最小，约为0.48。熔覆功率为640W时摩擦因数与TC4钛合金基体相似约为0.51。与锡青铜块材及TC4钛合金相比，锡青铜熔覆层起到一定程度的减摩作用。同时涂层内部多相组织中软硬相间隔分布，在摩擦磨损过程中，遇到软硬相相间并且相的尺寸较大时，可能引起摩擦因数较大的波动。
从图11可以看出，激光熔覆功率为400、480、560及640W时，锡青铜熔覆涂层磨损质量分别为3.6、3.4、2.0和1.2mg，均低于钛合金基体6.8mg及锡青铜块材4.1mg。在激光熔覆功率为640W的条件下，锡青铜熔覆涂层摩擦因数低，磨损量小，耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4倍，与TC4钛合金基体相比提高了5.6倍。其摩擦磨损综合性能最优。在摩擦磨损过程中，能够起到很好耐磨作用的是铜钛金属间化合物。金属间化合物除了拥有结合能较高的金属键，还有一定的共价键成分，使得其原子结合力较强，表现出较高的硬度，能够很好地抵抗外力的磨损[15]。
同时由于熔覆层组织的快速冷凝特点使得其组织晶粒细小，在磨损过程中，相互交叉嵌入的枝晶会阻止涂层与基体发生脱落，因此出现熔覆层剥落的可能性也降低，从而使涂层耐磨性能得到显著提高[15]图12为不同激光熔覆功率下锡青铜熔覆层摩擦磨损形貌。
表5为图12中各点元素含量。可以看出当激光熔覆功率为400W及480W时，熔覆层磨损后表面粗糙度较大，有大量的黏着物，经过对其进行EDS能谱分析发现黏着物均为铜和钛的氧化物，磨损形式表现为氧化磨损及黏着磨损。当激光熔覆功率为560W及640W时，锡青铜熔覆层磨损试验后的表面出现了少量的磨粒。通过EDS能谱分析均为铜和钛的氧化物，磨损形式为氧化磨损及磨粒磨损。由图12i和图12j可以看出，锡青铜块材磨损试验后表面凹凸不平，出现了明显的剥落。通过EDS能谱分析，有少量铜的氧化物，磨损形式为黏着磨损和氧化磨损共同作用。由图12k和图12l可以看出，TC4钛合金表面有大量犁沟存在。通过EDS能谱分析可以看出有部分钛的氧化物存在，磨损形式为黏着磨损及氧化磨损。4种不同激光熔覆功率下的锡青铜熔覆涂层，均比锡青铜块材及TC4钛合金的磨损形貌平整。当熔覆功率为560W及640W时，熔覆层的磨损形貌最为平整。锡青铜熔覆层磨损表面均存在氧化物，可以在一定程度上降低摩擦因数，从另一方面进一步的解释了不同激光功率下锡青铜熔覆层摩擦因数降低的现象。锡青铜熔覆层存在中高硬度的CuTi、Cu4Ti3等金属间化合物，作为增强相成为磨损主体，起到抗磨骨架的作用，而良好韧性金属相Cu相基体对颗粒增强相起到支撑作用[15]。因此，在TC4钛合金表面激光熔覆锡青铜组织耐磨性能优良，并且当激光熔覆功率640W时，锡青铜熔覆层的耐磨性最好。
3、结论
(1)通过激光熔覆在TC4钛合金表面熔覆的锡青铜熔覆层平整光滑，涂层与基体冶金结合，组织为典型的快速凝固组织。
(2)TC4钛合金表面激光熔覆锡青铜熔覆层主要相为Cu10Sn3、Cu6Sn5、Cu4Ti3、CuTi及Cu2O。
(3)激光功率为640W时，锡青铜熔覆层的平均硬度（HV0.2）最高，为482，分别是锡青铜块材和TC4钛合金5.24和1.6倍。激光功率为640W时，锡青铜熔覆层有较低的摩擦因数0.51以及最低的磨损质量1.2mg，均低于锡青铜块材和TC4钛合金，耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4倍，与TC4钛合金基体相比提高了5.6倍。TC4钛合金表面激光熔覆锡青铜熔覆层磨损为磨粒磨损及氧化磨损的交互作用。
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