1. 引言1.1 本课题的研究背景及意义激光熔覆技术（Laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法[1]。
按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。
激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视[2]。
特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。
激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。
与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。
由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。
图1.1 激光熔覆原理示意图1.2 本课题国内外研究现状激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。
目前，激光器主要有3种：CO2激光器、YAG 固体激光器和准分子激光器。
国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10KW的CO2气体激光器，另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。
其中工业上用来进行表面改性的多为CO2大功率激光器。
近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000W大功率CO2气体激光器、100-500W固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。
在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授[3]；2.激光熔覆制备耐磨涂层[4]；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响[5]；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响[6]；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[7]；7.Mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能[8]；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。
欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[9]；3.激光熔覆恢复零件和工具性能[10]；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余应力分布[11]，如图3；5.激光熔覆涂层电化学性质[12]；6.Mg合金表面激光熔覆显微组织性能[13]。
北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具,如密歇根大学；(2)激光熔覆TiB2制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金,如田纳西大学。
亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1)激光熔覆应用于增强零件机械性能,如日本丰田、尼桑汽车公司和三菱公司等；(2)激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层，如新加坡南洋理工大学等；(3)激光熔覆过程显微裂纹和残余应力,如日本名古屋大学Guojian Xu,Munaharu Kutsuna等,通过化学成分不变(CCCMLC)和化学成分成梯度分布(FGMMLC)多层熔覆层不同的方法,在碳钢JIS-SM400B表面熔覆钨铬钴合金和WC合金熔覆层,指出显微裂纹产生的敏感性FG-MMLC低于图1.2 熔化区与凝固区的形状模型图1.3 残余应力分布曲线CCCMLC[14]。
然而，无论是国内还是国外,对激光熔覆的研究只是限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料的熔覆,而后对激光熔覆层显微结构、组织、显微硬度、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究,指出这些性能均得到了提高;有些学者在激光熔覆加工过程中对某种材料所采用不同的工艺参数(如激光扫描速度不同、激光功率不同等参数)条件下进行激光熔覆加工,而后对熔覆层进行比较,指出这种材料的最佳激光熔覆工艺参数。
且激光熔覆加工过程工艺参数的确定每次均是通过几次实验来确定,而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性)的条件下,对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少。
伴随着计算机技术的不断发展和进步，激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进[15]。
1.3 本课题要研究或解决的问题及采用的研究手段要解决问题钛合金由于具有密度低、比强度高、抗蚀性优异、高温机械性能好等突出优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
但是钛合金存在摩擦系数高，耐磨性差等缺点，严重限制了钛合金作为摩擦磨损副零部件的应用。
因此，采用先进的表面改性技术直接在钛合金表面制备耐磨涂层是解决上述问题的有效办法。
TiC是一种低密度、高熔点、高弹性模量的陶瓷材料。
由于其具有较低的反应生成自由能，因而是一种很有潜力的以抗磨料磨损为目标的颗粒增强金属基复合材料的硬质相。
本文要解决的问题是如何通过合理控制熔覆过程中的各项工艺参数（如激光功率、光斑直径、扫描速度、作用时间、搭接率等）在钛合金表面涂覆TiC，以形成耐磨涂层，达到较好的熔敷效果并控制裂纹的产生。
采用方法1.选用BT9钛合金作为试样，试样尺寸为18mm×18mm×33mm.用平均直径140μm的TiC丝材在氩气保护的氛围下进行同步送丝熔覆，控制每次只有一个参数发生变化。
2.在MM-200型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸10mm×10mm×10mm.用精度为0.1mg的Sartorius BS 110s型电子天平称量试样及标样的质量磨损。
3.通过减小温度梯度的方法（如正火、退火）或使用超声波震动的方法减少或控制裂纹的产生。
2. 激光与材料的相互作用2.1 原理概述激光加工主要是利用激光的热能，激光加工的热源是高辐射强度的激光束。
激光束经由光学系统聚焦后，其焦点的功率密度为104-1011Wcm-2。
被加工工件置于激光焦点附近进行加热，所以，激光加工的过程实际上就是高轻度的激光束与工件表面相互作用的过程。
激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。
在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的[16,17]。
光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子。
随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。
该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。
温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。
光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。
该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为L = [4Dt]1/2,其中L为扩散距离，D为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。
如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。
相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。
要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。
它们大致上可以分为以下几个范围：脉冲宽度为10ms左右，聚焦功率密度为104Wcm-2作用于金属表面时，金属表面主要产生升温、相变现象，此现象主要用于激光表面硬化热处理；脉冲宽度为数毫秒，聚焦功率密度在104-107Wcm-2范围内作用于金属表面时，金属材料主要产生升温、熔化和热应力波现象，该现象主要用于激光焊接和激光合金化的表面处理；当脉冲宽度在0.1ms左右，激光功率达到108Wcm-2时，金属材料中除了产生升温和熔化外，主要是汽化，同时还存在着激波和骇波的冲击，这些现象主要用于激光打孔、切割、划片和微调工艺。
当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。
表一列出了使用248nm波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。
由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。
例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。
人们认为，采用飞秒脉冲时，由于功率密度高、时帧短，激光与材料间的相互作用发生在多光子非线性过程中。
此过程极为迅速，因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子，而不影响临近原子。
由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层，因而适合微加工。
表2.1对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于表I中计算的临界值，但这样还不够。
还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。
对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。
选定合适的波长后，就要确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。
尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。
图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。
激光加工与电子束加工、等离子束和一般的机械加工相比较，具有以下特点：1）激光束的激光焦点小，功率密度大，能加工一些高熔点、高强度的合金材料，也能加工如陶瓷、金刚石、玻璃之类的非金属硬脆性材料以及其他的一些普通工艺难以加工的材料；2）激光热加工是无接触加工，不需要钻头、刀具和冲压模具等工具。
没有磨损工具，断裂和调换工具等问题。
故激光束是一种永久锋利的、多用途的、能把材料加工成任意形状的机械加工工具；3）激光热加工自动化程度高，可用计算机进行控制，加工速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的加工；4）激光热加工的热影响区小，材料变形小，不需要后续处理；5）激光处理不需要淬火介质，无公害，有利于保护环境；6）激光可以透过玻璃加工真空容器内的工件以及处于复杂结构位置的工件；7）激光热加工与电子束加工相比，不需要严格的真空设备，操作方便。