前言

钛合金具有比强度高、低温性能好、生物兼容性优异等特点，，，，，，普遍应用于航空、航天、生物医学和汽车等领域。。。。。。。。但同时钛合金受硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等弱点限制，，，，，，难以顺应重大的服役条件。。。。。。。。现在急需解决的问题是怎样提高钛合金外貌硬度、耐磨性、高温抗氧化性能以及生物活性，，，，，，进而扩大其应用规模［1-9］ 。。。。。。。。为了充分验展钛合金的优势，，，，，，解决其硬度低、耐磨性差等问题，，，，，，海内外许多学者开展了钛合金外貌改性手艺方面的研究事情，，，，，，主要包括激光熔覆、微弧氧化、热/冷喷涂、外貌渗碳/氮等，，，，，，其中激光熔覆手艺的应用最为普遍［10-11］ 。。。。。。。。本文综述了现阶段钛合金外貌激光熔覆、微弧氧化和冷喷涂陶瓷涂层的研究现状，，，，，，并对相关研究举行了展望。。。。。。。。

1 、激光熔覆手艺

钛合金激光熔覆外貌改性手艺履历了从激光外貌淬火到激光外貌重熔再到激光外貌合金化以及激光熔覆的历程。。。。。。。。激光熔覆手艺具有许多优点［12-14］ ：激光熔覆涂层与基材呈冶金团结，，，，，，其结协力较强，，，，，，并且较高的冷却速率使涂层组织细化，，，，，，结构致密，，，，，，进一步强化了涂层质量；；；；；可通过设计差别因素的熔覆质料获得差别性能的涂层；；；；；可在低熔点的金属外貌熔覆高熔点的合金；；；；；熔覆涂层的厚度可控，，，，，，并可举行选区熔覆等。。。。。。。。

接纳激光熔覆手艺在钛合金外貌制备功效性熔覆层，，，，，，通常接纳自熔性合金粉末，，，，，，包括Ni基、Co基、Fe基和金属基陶瓷复合质料。。。。。。。。激光熔覆通过引入或原位自生增强相或自润滑相改善基体外貌性能，，，，，，故相的种类、含量和漫衍等因素决议了涂层的性能。。。。。。。。常用的涂层增强相为TiC、TiBx、TiN 和 WC等硬质陶瓷相［15-16］ 。。。。。。。。

在激光熔覆陶瓷粉末历程中，，，，，，陶瓷质料与钛合金基材爆发反应天生新的陶瓷相来改善钛合金的外貌性能。。。。。。。。覃鑫［17］ 等在钛合金外貌激光熔覆NiCrCoAlY+20%Cr₃C₂粉末制备耐摩擦磨损及高温抗氧化的复合涂层。。。。。。。。通过合理的工艺参数设计，，，，，，获得的熔覆区显微组织结构致密、成形优异、无气孔和裂纹等组织缺陷，，，，，，涂层内部组织由树枝晶、针状晶以及树枝晶的共晶组织组成（见图1）；；；；；复合涂层的最高显微硬度为1 344 HV（见图2），，，，，，约为钛合金基体（350 HV）的3.8倍，，，，，，850 ℃具有较好的高温抗氧化性能（见图3）。。。。。。。。

在激光熔覆历程中外加法的陶瓷质料的涂层与钛合金基体结协力不高，，，，，，容易开裂，，，，，，爆发孔洞等问题［18-19］ 。。。。。。。。其主要缘故原由首先是陶瓷颗粒与基体钛合金的热膨胀系数等物理性能相差较大，，，，，，导致涂层保存较大的剩余应力；；；；；其次从质料的键合方法角度剖析，，，，，，钛合金键合方法为金属键，，，，，，而陶瓷质料的团结方法为共价键或离子键，，，，，，钛合金和陶瓷质料的晶体结构也不相同，，，，，，因此钛合金与陶瓷质料之间的相容性差。。。。。。。。另外激光熔覆属于快热和快冷的历程，，，，，，涂层内部会爆发较大的拉应力，，，，，，剩余拉应力凌驾涂层质料的抗拉强度时即开裂。。。。。。。。

安强［20］ 在TA15钛合金外貌激光熔覆原位合成TiC增强钛基复合涂层。。。。。。。。研究发明，，，，，，整个涂层组织由平面晶、柱状晶、树枝晶和等轴晶组成；；；；；由XRD剖析可知，，，，，，涂层主要由β-Ti、Co₃Ti、CrTi₄和原位自生的TiC物相组成，，，，，，涂层与基体形成了优异的冶金团结；；；；；涂层的显微硬度最高值为715 HV，，，，，，约为TA15 基体显微硬度的2.1倍（见图4）；；；；；涂层具有较好的抗磨性能，，，，，，磨损机制为磨粒磨损。。。。。。。。使用原位合成陶瓷质料的要领即通过化学反应天生陶瓷涂层，，，，，，增强相与基体团结界面清洁，，，，，，结协力较大，，，，，，禁止易脱落。。。。。。。。可是化学反应历程无法控制，，，，，，会有有害杂质的天生相［21］ 。。。。。。。。以是原位自生法制备陶瓷涂层怎样准确调控反应历程，，，，，，是未来研究的重点。。。。。。。。

激光熔覆手艺履历了从单层熔覆层，，，，，，到多层熔覆层、复合熔覆层以及梯度涂层研究的生长历程，，，，，，随着手艺的一直研究刷新，，，，，，泛起了许多新型激光熔覆手艺［22］ ，，，，，，例如环形激光熔覆手艺。。。。。。。。该手艺是一项使用中空环形的聚焦高能激光束和光内运送的熔覆质料同轴耦相助用于基体外貌的典范质料沉积加工手艺，，，，，，具有扫描偏向不受限、熔覆质料种类多、质料使用率高和熔覆历程可干预性强等优点，，，，，，与古板激光熔覆手艺相比，，，，，，其在激光能量使用率、熔覆质料沉积率、光料耦合精度、熔覆历程稳固性及熔覆层团结质量等方面均有大幅提升，，，，，，在激光金属沉积领域有着重大的生长潜力，，，，，，因此备受关注［23］ 。。。。。。。。在钛合金外貌使用该要领制备熔覆层现在未见报道，，，，，，学者可以开展此方面的研究事情。。。。。。。。

激光熔覆在钛合金外貌熔覆质料生长潜力较大，，，，，，可是现在没有工业化生产，，，，，，未来的生长主要在以下方面［10-11］ ：开发宽域的新型陶瓷熔覆质料系统；；；；；涂层的形成历程、形成机制的调控；；；；；熔覆涂层的裂纹和缺陷的控制。。。。。。。。

2、 微弧氧化手艺

微弧氧化手艺是在阳极氧化基础上生长起来的外貌改性手艺。。。。。。。。钛合金微弧氧化（MAO）［24］ 是一种在钛及钛合金外貌原位生长成氧化物陶瓷膜，，，，，，这种陶瓷膜与基体团结强度高，，，，，，可以提升钛合金的抗磨损、耐侵蚀和绝缘性［25］ 。。。。。。。。钛及钛合金微弧氧化是将Ti、Mg、Al等金属置于电解液中，，，，，，在电源作用下基体外貌爆发放电泛起高温、高压；；；；；在高温高压作用下基体外貌熔化与游离离子相互作用，，，，，，然后举行氧化、融合，，，，，，最后在金属外貌沉积成膜［26-30］ 。。。。。。。。

李玉海［31］ 等通过微弧氧化要领划分向电解液中添加陶瓷颗粒SiC和SiO₂在TC4钛合金外貌制备复合陶瓷膜。。。。。。。。氧化膜外貌孔洞细小，，，，，，膜层致密性较高，，，，，，陶瓷膜组织主要有α-SiC和β-SiC相，，，，，，SiO₂颗粒的添加使得膜层摩擦系数波动平稳且波动规模仅在0.15~0.2。。。。。。。。相同实验条件下添加SiC颗粒的陶瓷膜耐磨性比未添加陶瓷颗粒的耐磨性提高75%，，，，，，而含有SiO₂颗粒的膜层相对基体提高130%。。。。。。。。在摩擦磨损实验历程中，，，，，，添加SiC颗粒的陶瓷膜外貌仅有稍微犁沟痕迹，，，，，，含有SiO₂的膜层外貌磨损最稍微，，，，，，只泛起粘着磨损的痕迹，，，，，，膜层耐磨性能均获得提升。。。。。。。。

解念锁［32］ 等在Na₂SiO₃、Na₃PO₄电解液中对TC4外貌举行微弧氧化制备抗氧化膜层。。。。。。。。微弧氧化膜层的SEM形貌细小、匀称、多孔，，，，，，主要由Al₂SiO₅和Al₂TiO₅ 组成，，，，，，在750 ℃循环氧化100 h后，，，，，，经300 V电压微弧氧化60 min的TC4钛合金的氧化增重为7.8 mg/cm²，，，，，，而未经微弧氧化处置惩罚的TC4钛合金氧化增重为30.51 mg/cm²。。。。。。。。并且随着微弧氧化时间的增添和电压的增大，，，，，，微弧氧化TC4钛合金的高温抗氧化性能也有所增强。。。。。。。。

杨泽慧［33］ 等人在TC4合金外貌微弧氧化原位自生自润滑MoS₂ /TiO₂膜层（见图5），，，，，，讨论了原位反应中Na₂S添加量对膜层微观结构及耐磨性能的影响。。。。。。。。通过控制 Na₂S 浓度可实现原位天生小尺寸MoS₂颗粒，，，，，，且其含量和形态可控，，，，，，原位自生MoS₂膜层的耐磨性较古板微弧氧化膜层或直接添加MoS₂颗粒所得膜层划分提高了395.4%、129.4%；；；；；膜基结协力较古板微弧氧化提高了约87%，，，，，，抵达723.8 N，，，，，，说明原位自生微弧氧化在包管优异的自润滑效果的同时改善了膜基结协力。。。。。。。。微弧氧化手艺的研究已履历了几十年的生长历程，，，，，，从交流微弧氧化手艺到现在较为热门的激恢复合微弧氧化手艺［34］ 。。。。。。。。Wang等 ［35］ 将TC4钛合金举行激光外貌重熔、微弧氧化处置惩罚，，，，，，获得多孔生物陶瓷涂层。。。。。。。。通过激光外貌重熔预处置惩罚降低基材的外貌粗糙度，，，，，，提高微弧氧化涂层的匀称性和密度，，，，，，同时镌汰厚度，，，，，，与未处置惩罚的样品相比具有最佳的耐侵蚀性，，，，，，外貌粗糙度最低，，，，，，孔隙率较低。。。。。。。。

钛合金微弧氧化也保存急需解决的手艺问题：

（1）单位面积耗能较大；；；；；（2）氧化膜的膜基团结问题；；；；； （3）膜层多孔问题，，，，，，影响基材的耐蚀性。。。。。。。。

3 、喷涂

喷涂手艺是在不改变基体其他性能的条件下，，，，，，通过某种热源或者动力源将质料形成高速粒子流，，，，，，喷向基体上一直沉积形成具有一定功效的涂层［36］ ，，，，，，其特点是工艺轻盈、应用规模较广［37-39］ 。。。。。。。。近年来，，，，，，研究职员在古板喷涂手艺基础上生长出超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、反应热喷涂和冷喷涂等工艺［40-42］ 。。。。。。。。

钛合金的氧活性很高，，，，，，古板的热喷涂手艺不适合制备钛及钛合金涂层；；；；；冷喷涂作为新兴的喷涂手艺由于制备温度低、涂层沉积率较高、孔隙率低和团结强度较高等特点，，，，，，在钛合金外貌制备涂层具有奇异优势［43-50］ 。。。。。。。。由于冷喷涂主要是高速航行的粒子在撞击基体时爆发严重的塑性变形，，，，，，从而实现涂层沉积，，，，，，关于金属质料来讲，，，，，，面心立方金属的Al、Cu等滑移系较多，，，，，，较易爆发塑性变形，，，，，，而关于密排六方金属的Ti、Co等，，，，，，滑移系统较少、塑性较差［51］ 。。。。。。。。李文亚等［52］ 以空气为喷涂气体，，，，，，在气体温度520 ℃、压力2.8 MPa的条件下，，，，，，制备了纯钛和钛合金涂层，，，，，，发明两种涂层的孔隙率划分高达5.1%和22.4%，，，，，，而孔隙往往保存于有限变形的粒子之间，，，，，，以是影响了涂层性能。。。。。。。。

近年来，，，，，，海内外学者从喷涂参数、粉末状态、喷嘴及基体等差别方面临冷喷涂钛及钛合金涂层举行了组织调控。。。。。。。。李海升［53］ 等在TC4钛合金外貌冷喷涂制备CuNiIn涂层，，，，，，研究其组织结构和微动磨损性能，，，，，，涂层的孔隙率仅为 2.8%，，，，，，最高硬度可抵达300 HV，，，，，，磨损机理为粘着磨损和磨粒磨损。。。。。。。。李恒久等［54］ 划分接纳N2 和He两种气体作为喷涂气体制备了Ti涂层，，，，，，效果批注，，，，，，用惰性气体He制备的涂层其组织越发致密，，，，，，主要缘故原由是在He条件下粒子能获得更大的速率，，，，，，从而爆发更充分的变形。。。。。。。。Pelletier J L等［55］ 研究发明喂料速率和粉末流动速率越高，，，，，，涂层孔隙率越高，，，，，，厚度越厚，，，，，，其缘故原由可能是低的喂料速率能够减小后面粒子与先沉积涂层的撞击角度，，，，，，而粉末流动速率会对喷嘴中的气流爆发影响。。。。。。。。ZahiriS H等［56］ 研究了喷涂距离对Ti涂层质量的影响，，，，，，发明喷涂距离主要影响粒子速率，，，，，，喷涂距离增大，，，，，，粒子速率减小，，，，，，导致塑性变形小，，，，，，随着喷涂距离的增大，，，，，，涂层孔隙率上升。。。。。。。。殷硕等［57］ 研究了喷涂角度对冷喷涂Ti粒子沉积行为的影响，，，，，，以为喷射角度为非笔直角度时，，，，，，粒子与基体的团结会削弱（见图6）。。。。。。。。

综合来看，，，，，，关于钛与钛合金涂层而言，，，，，，尽可能接纳高的气体温度和压力可以有用提高粒子速率，，，，，，进而制备出高质量涂层。。。。。。。。

除了粉末材质外，，，，，，冷喷涂的粉末形状对喷涂质量也有影响。。。。。。。。Wong W［58］ 等接纳不规则形和球形两种差别形状的Ti粉制备冷喷涂涂层，，，，，，研究效果批注，，，，，，粒子的粉末不规则，，，，，，制备的涂层致密性较好，，，，，，主要是不规则粒子的拖曳常数较高，，，，，，在喷嘴出口处可获得更高的粒子速率，，，，，，以是与基体的结协力较好，，，，，，而不规则粉末的流动性不如球形粉，，，，，，喷涂历程中容易氧化［59-61］ 。。。。。。。。Cinca N ［62］ 等研究以为当粒子漫衍较窄时，，，，，，涂层的孔隙、厚度和硬度更为匀称。。。。。。。。

除粉末质料和形态外，，，，，，喷嘴结构对冷喷涂涂层质量也有显着影响，，，，，，图7为喷嘴优化前后制备的Ti涂层，，，，，，可以看出改善后涂层组织显着致密［63］ 。。。。。。。。李文亚［64］ 等通过改善喷嘴内部形状实现了在低压下高的粒子温度。。。。。。。。MACDONALD D［65］ 改变喷嘴材质，，，，，，发明高热导率的喷嘴可以降低粒子的临界速率，，，，，，从而实现更高的沉积效率。。。。。。。。

冷喷涂中涂层与基体以及涂层内部的机理主要是机械咬合和冶金团结，，，，，，冶金团结的水平越高，，，，，，团结强度越好，，，，，，通过喷涂后热处置惩罚可以进一步提高其冶金团结水平。。。。。。。。李文亚等［66］ 在850 ℃真空气氛下将Ti和Ti6A14V涂层举行退火4 h，，，，，，发明退火历程中粒子之间的接触界面通过原子扩散和晶界迁徙爆发了冶金团结，，，，，，但涂层的孔隙率统计效果批注，，，，，，热处置惩罚后两种涂层的孔隙率均有所增添。。。。。。。。

周红霞［51］ 研究了Ti6A14V涂层在后续热处置惩罚历程中孔隙的演变纪律，，，，，，效果批注，，，，，，在局部热处置惩罚温度下涂层的孔隙率有所增添，，，，，，缘故原由是喷涂层热处置惩罚历程中剩余应力得以释放，，，，，，部分弱团结和未团结的粒子界面相互脱离引起的。。。。。。。。

现在，，，，，，喷涂对钛合金涂层研究相对较少，，，，，，大都为喷涂Ti涂层。。。。。。。。对喷涂工艺研究较多，，，，，，对涂层形成历程、粒子内部显微结构研究较少。。。。。。。。由于喷涂涂层与基体的结协力较弱，，，，，，以是应用受到限制，，，，，，喷涂后的热处置惩罚是提高其结协力的有用途径。。。。。。。。关于冷喷涂手艺与其他手艺如激光熔覆、搅拌摩擦焊等的融合是未来的研究趋势。。。。。。。。

4 、结论及展望

（1）激光外貌刷新手艺在钛合金外貌可以通过有限元软件和数学建模模拟熔覆历程，，，，，，或者团结超声波辅助激光熔覆等方法，，，，，，研发宽域的新型陶瓷熔覆质料系统、功效梯度涂层等以镌汰裂纹等缺陷。。。。。。。。

（2）关于钛合金微弧氧化手艺，，，，，，能源消耗重大、膜层易脱落和膜层多孔征象是急需解决的问题，，，，，，需要通过进一步研究以提高钛合金微弧氧化膜层的性能。。。。。。。。

（3）冷喷涂手艺与其他手艺如激光熔覆、搅拌摩擦焊等的融合是未来的研究偏向。。。。。。。。

在先进科学手艺的高速生长配景下，，，，，，钛及钛合金应用领域日益扩展，，，，，，对钛合金外貌性能的要求越来越高，，，，，，随着这些使用条件的转变钛合金外貌改性手艺也必将日臻完善。。。。。。。。

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