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2024年12月27日发(作者：sprintf不安全)
Laser cladding with HA and functionally graded TiO2-HA precursors on
Ti–6Al–4V alloy for enhancing bioactivity and cyto-compatibility
由于CaeP基生物陶瓷和Ti合金之间的弹性模量，热膨胀系数和硬度的大的
不匹配，在涂层和基材之间产生了尖锐的界面。 即涂层和基材之间的微观结构
没有逐渐变化。 这导致粘合强度和裂缝形成的降低。
为了控制裂缝并提高粘接强度，许多研究人员将一定比例的纯Ti粉末与CaP
基生物陶瓷混合，因为Ti的热膨胀系数与基材的热膨胀系数相似。此外，为了
增强界面处的冶金结合和涂层表面的生物活性，设计并使用激光熔覆制造功能梯
度涂层。
如果包层材料或其中一种成分与基底材料匹配，则通常会增强冶金结合由
于激光熔覆是一种热处理，其中涂层以及基底材料的一小部分以非常高的冷却
速率熔化和固化。通常，由于陡峭的温度梯度，凝固收缩和涂层与基材之间的
热膨胀系数（CTE）差异所产生的应力，凝固过程中会产生裂缝
HA，TiO
2
和Ti-6Al-4 V的CTE 分别为13.3×10
6
-6
/ K，9.4×10
-
/ K和8.6×10
-6
/ K，分别为。如Rodriguez等人报道的，相对于底物计
算涂层和底物之间CTE的百分比差异。因此，在100％HA包层中，涂层（HA）
和基板（Ti-6Al-4V）之间的CTE百分比差异为54.6％。由于这种巨大的百分
比差异，在快速凝固的表面即涂层材料中产生压缩应力。这引起了Ti-6Al-4V
中的拉应力，这主要是裂纹产生和传播的原因。
由于激光模式的原因, 光斑中各处的温度分布是不均匀的, 这种因为温度
梯度的存在而产生的熔池中表面张力的不均匀性,导致了凝固表面波纹的出现。
另一方面, 由于陶瓷材料与基体金属在结构上差异较大, 两者的润湿性和匹配
性不好, 使涂层和基体的结合强度较差, 那么当残余应力或外力的作用大于涂
层与基体的结合强度后, 涂层就会从基体上剥落。
激光熔覆残余应力场分析
1.产生原因
激光熔覆残余应力产生的原因主要是：
（1）局部热输入造成温度分布不均匀，使得熔池及周围材料产生热应力，
在冷却和凝固时相互制约而引起局部热塑性变形，进而产生热应力；
（2）熔凝区存在温度梯度且冷却速率不一致，熔池材料在凝固时因相变体
积变化不均及相变不等时性产生的相变应力，进而引起不均匀塑性变形而形成
相变残余应力。
2. 裂纹形成
激光熔覆层裂纹是在凝固温度附近形成的热裂纹，主要是由于凝固温度区
间，初生的发达枝晶会相互钩连形成一个结晶固态网，造成枝晶间的液体封
闭。在应力的作用下，固态晶体本身的变形可强烈发展，晶体间残存的液体却
不易自由流动，从而造成枝晶间液态金属凝固收缩时没有足够的液体补充。当
应力较大而熔覆层的韧性不好时就会形成宏观裂纹的产生，而当应力较小或熔
覆层的韧性较好时就会形成微观裂纹或不形成裂纹。
激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
随激光能量密度增大,熔覆层表面的平整程度降低,适当降低激光功率或增
大扫描速度可减小激光能量密度,从而提高熔覆层表面平整程度。3) 随载气流量
增大,熔覆层表面的平整程度先增加后降低,说明过大的载气流量会改变熔池的
形状,致使熔覆层表面平整程度降低,不利于提高零件表面平整程度,所以,在加
工中应适当选择载气流量范围。
Ti6Al4V 合金表面激光熔覆功能复合涂层研究进展
在激光熔覆工艺过程中，激光光束质量是影响熔覆层效果极为重要的因素，
从获得均匀组织的情况看，功率密度分布局域平均值变化不大时，由复杂高阶模
组成的光束更为适用[37]。激光功率密度作为评定激光光束质量的关键因素，
对熔覆层的结构和性能起着决定性的作用。然而，目前生产和科研工作中，对激
光
功率密度分布的评估基本还是根据激光功率、扫描速度和光斑大小等参数，
代入理论公式中通过近似计算获得。由于实际激光束功率密度的分布通常不具备
轴对称性，因此采用上述近似难以准确考察功率密度分布对激光熔覆层组织和性
能的影响。在这种情况下，考察严格意义上的光束中心对激光熔覆层的影响就很
有必要。
激光熔覆金属/陶瓷复合涂层中陶瓷相的行为`
对复合涂层进行材料设计时,除了考虑复合涂层的使用性能要求外,还应该
考虑陶瓷颗粒与合金基体(matirx)之间的物性匹配、颗粒与液态金属之间的浸润
及化学反应、涂层与基材(substrate)间的界面结合等,以获得复合组元之间物理
力学性质的最佳组合。此外,为提高颗粒与合金基体之间的结合强度和抑制熔覆
过程中陶瓷相的过分溶解,也可考虑在陶瓷颗粒表面预先镀上一层扩散阻挡层或
采用复合粉末。
宏观组织不均匀性源于熔池内宏观成分的不均匀性,其成因在于激光作用下
的熔池内的对流运动模式,文献研究指出,采用适当的激光处理参数或改变光束
分布,可以降低宏观偏析的程度.
由表面张力梯度引起的对流过程在激光熔覆和合金化过程中存在双重作用,
它既可以使合金元素在熔池内进行远距离迁移,从而使表面合金的成分均匀化;
另一方面,它也可能使表面合金的成分非均匀化
对于激光熔覆层表面不平整,诸多研究表明其原因在于大面积多道搭接时,
各搭接道之间不平以及由于激光熔覆时熔池内的对流造成的皱折,前者可以通过
调节搭接率得到改善,后者涉及激光熔覆动力学问题,尚待更深入地研究
Effects of the thickness of the pre-placed layer on microstructural
evolution and mechanical properties of the laser-clad coatings
与其他工艺相比，预先放置的层法由于以下优点而被广泛应用于当前的研究
中：可以容易地混合和使用各种材料; 降低粉末损失率; 预先放置的层的粗糙
表面上的激光吸收率更高，危险性更小。 由于其简单，灵活且不需要设备，粘
合方法通常用于在实验室研究中使用粘合剂制备预先放置的层。
然而，该方法中使用的大量粘合剂可能分解成气体，这会使微观结构恶化并
降低涂层的机械性能。
另外，不能精确地控制预先放置的层的厚度。 预先放置的层厚度对激光熔
覆涂层的质量具有显着影响。它直接决定了涂层的最终厚度，当用作工程摩擦学
组件时，会影响其使用寿命。而且，由于稀释率的变化，预先放置的层厚度会影
响熔池的化学组成。
测试涂层的断裂韧性以通过维氏压痕法评估裂纹敏感性。该方法最初由
Evans和Wilshaw 开发，用于评估脆性陶瓷的断裂韧性，如碳化物，氮化物，硼
化物和氧化物。随后，许多研究人员验证了其有效性和正确性。
根据压痕的断裂力学理论，当载荷施加到材料表面时，可以在压痕的四个关
注点周围产生大的应力集中。由于压痕周围的材料弹性/塑性变形的不匹配导致
的残余应力超过临界值，半椭圆裂纹朝向远离压痕的区域传播。 因此，在平衡
状态下压痕裂纹尖端周围的残余应力场强度等于材料的断裂韧性。 基于该原理，
推导出一些半经验公式来测量脆性材料的断裂韧性。考虑到由大量陶瓷增强材料
增强的激光熔覆涂层具有硬而脆的特性，在以往的研究中，采用该方法测量其断
裂韧性。
在涂层的横截面上施加压痕，施加的载荷为3kgf，持续15秒。 使用VHX-
600K光学显微镜（OM）立即观察压痕的形态。 具有裂缝的压痕的示意图显示在
图2中。涂层的KIC值通过以下等式计算：
其中KIC是断裂韧性（MPa m1 / 2），P是施加载荷（N），a是压痕（m）中对角
线的半长度，c是对角线长度的一半加上长度的一半 裂缝（m）。
王新林, 漆海滨. 厚层激光熔覆层裂纹控制的综合实验研究与理论分析[J].
南华大学学报（自然科学版）, 2001, 15(3):36-40.
激光熔覆试验中,熔覆层出现的裂纹主要由熔覆层凝固收缩产生的结晶裂纹
和结晶后继续收缩时的高温低塑性裂纹形成。影响熔覆层裂纹形成的因素极其复
杂,大致可归纳为三类:一类为熔覆工艺的因素,主要影响激光熔池形状、冷却速
度与凝固速度及热应力状况;另一类为覆层材料因素,主要影响熔覆层的熔化、传
热、传质特性与凝固特征、凝固组织及热应力；还有一类为基体因素,主要影响
激光熔覆过程中的传热与冷却特征及热应力分布状况。激光熔覆裂纹产生的充分
条件是热应力的作用,裂纹控制中,一方面要优化合金粉末成份,减少杂质,尽量
使其热物性和膨胀系数与基体匹配,同时控制好熔层合金的微观组织,提高熔层
合金的强韧性;另一方面就是要设法降低热应力的作用并均匀其分布。
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