7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層：組織特征與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進程中，材料性能的優(yōu)劣對各領(lǐng)域技術(shù)革新和產(chǎn)品升級起著關(guān)鍵作用。鋁合金作為一種輕質(zhì)、高強度且具備良好加工性能的金屬材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)等眾多領(lǐng)域。其中，7075鋁合金作為Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金的典型代表，以其卓越的高強度和良好的韌性，在航空航天領(lǐng)域中用于制造飛機大梁、機翼等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件；在汽車工業(yè)中，被應(yīng)用于制造發(fā)動機缸體、輪轂等零部件，助力實現(xiàn)汽車輕量化，提升燃油經(jīng)濟性和操控性能。然而，7075鋁合金在實際應(yīng)用中也暴露出一些亟待解決的問題。由于其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在潮濕、含腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象，嚴重影響材料的使用壽命和結(jié)構(gòu)安全性。在航空發(fā)動機的高溫部件中，7075鋁合金的耐高溫性能不足，會引發(fā)材料強度下降，影響發(fā)動機的穩(wěn)定運行。此外，在一些高速運轉(zhuǎn)、相互摩擦的機械部件應(yīng)用場景下，其耐磨性欠佳，易造成表面磨損，降低設(shè)備精度和工作效率。為解決7075鋁合金表面性能不足的問題，表面改性技術(shù)成為研究熱點。激光熔覆技術(shù)作為一種先進的表面改性方法，通過在材料表面添加熔覆材料，利用高能激光束使其與基體表面快速熔化并凝固，形成與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層，從而顯著改善材料表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。在激光熔覆材料的選擇上，Ti/TiBCN涂層展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。Ti具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的強度和韌性，以及與鋁合金較好的相容性；TiBCN是一種新型的多元陶瓷材料，具備高硬度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。將Ti/TiBCN涂層通過激光熔覆技術(shù)制備在7075鋁合金表面，有望綜合發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)對7075鋁合金表面性能的有效提升。研究7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織與性能，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。從理論層面來看，深入探究激光熔覆過程中涂層與基體的冶金結(jié)合機制、元素擴散行為以及涂層微觀組織的形成與演變規(guī)律，有助于豐富和完善材料表面改性的理論體系，為激光熔覆技術(shù)在鋁合金材料表面處理領(lǐng)域的進一步發(fā)展提供理論支撐。在實際應(yīng)用方面，通過優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)和涂層成分，獲得性能優(yōu)異的Ti/TiBCN涂層，能夠有效提高7075鋁合金在惡劣環(huán)境下的服役性能，拓展其應(yīng)用范圍，降低生產(chǎn)成本，提升相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力，推動航空航天、汽車制造等行業(yè)的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.17075鋁合金表面處理研究現(xiàn)狀7075鋁合金以其高強度、良好的加工性能和輕質(zhì)特性，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，其表面性能的短板，如耐腐蝕性、耐磨性和耐高溫性欠佳，限制了其更廣泛的應(yīng)用。為克服這些不足，國內(nèi)外學(xué)者對7075鋁合金的表面處理展開了深入研究。在表面涂層方面，陽極氧化是一種常見且應(yīng)用廣泛的處理技術(shù)。通過在特定的電解液中施加電流，在7075鋁合金表面形成一層氧化膜。這種氧化膜不僅能顯著提升鋁合金的耐腐蝕性，還能增強其絕緣性能。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化陽極氧化的工藝參數(shù)，如電解液成分、電壓和處理時間等，可以有效調(diào)控氧化膜的厚度和微觀結(jié)構(gòu)，從而進一步提高其防護性能。在含氯離子的腐蝕環(huán)境中，經(jīng)過精心處理的陽極氧化膜能夠為7075鋁合金提供長期穩(wěn)定的防護?；瘜W(xué)鍍鎳也是一種常用的表面處理方法。在7075鋁合金表面沉積鎳磷合金鍍層，該鍍層具有良好的耐腐蝕性和耐磨性?；瘜W(xué)鍍鎳過程中，鍍液的成分、溫度和pH值等因素對鍍層質(zhì)量影響顯著。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以獲得不同磷含量的鎳磷鍍層，低磷鍍層硬度較高，耐磨性好；高磷鍍層則耐腐蝕性更為突出。在電子設(shè)備外殼的應(yīng)用中，化學(xué)鍍鎳后的7075鋁合金能夠有效抵御環(huán)境侵蝕，延長設(shè)備使用壽命。微弧氧化技術(shù)近年來備受關(guān)注，它通過在鋁合金表面產(chǎn)生微弧放電，瞬間的高溫高壓作用使表面形成陶瓷層。該陶瓷層硬度高、耐磨性好，同時具備良好的電絕緣性和耐腐蝕性。研究表明，電流密度、脈沖頻率和電解液組成等工藝參數(shù)對微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。在航空發(fā)動機零部件的表面處理中，微弧氧化后的7075鋁合金能夠承受高溫、高壓和高速氣流的沖刷，提高零部件的可靠性和使用壽命。1.2.2激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀激光熔覆技術(shù)作為材料表面改性的前沿技術(shù)，近年來在國內(nèi)外取得了顯著的研究進展。該技術(shù)利用高能激光束將熔覆材料與基體表面快速熔化并凝固，形成與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層，從而實現(xiàn)對材料表面性能的定制化提升。在激光熔覆設(shè)備方面，隨著激光技術(shù)的不斷進步，高功率、高光束質(zhì)量的激光器不斷涌現(xiàn)。光纖激光器以其高效率、高穩(wěn)定性和良好的光束傳輸特性，成為激光熔覆領(lǐng)域的主流設(shè)備之一。其輸出功率可達數(shù)千瓦，能夠滿足不同材料和工藝的需求。碟片激光器則具有高功率、高光束質(zhì)量和良好的熱管理性能，適用于大面積、高精度的激光熔覆加工。這些先進的激光器為激光熔覆技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的硬件基礎(chǔ)。激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化是研究的重點之一。熔覆功率、掃描速度、送粉速率和光斑直徑等參數(shù)對熔覆層的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響。通過數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，學(xué)者們深入探究了這些參數(shù)之間的相互作用關(guān)系，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和工藝窗口。研究發(fā)現(xiàn)，提高熔覆功率可以增加熔覆層的厚度和稀釋率，但過高的功率會導(dǎo)致基體過度熔化和熱影響區(qū)擴大；加快掃描速度則可以減小熔覆層的厚度和稀釋率，但速度過快可能會導(dǎo)致熔覆層不均勻和缺陷產(chǎn)生。合理匹配這些參數(shù)，能夠獲得高質(zhì)量的熔覆層，滿足不同工程應(yīng)用的需求。激光熔覆材料的研發(fā)也是該領(lǐng)域的研究熱點。除了傳統(tǒng)的金屬基合金粉末，如鎳基、鈷基和鐵基合金等，陶瓷增強復(fù)合材料、金屬陶瓷復(fù)合材料和納米材料等新型熔覆材料不斷涌現(xiàn)。陶瓷增強相如碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）和氧化鋁（Al?O?）等，具有高硬度、高耐磨性和耐高溫性能，能夠顯著提高熔覆層的硬度和耐磨性。金屬陶瓷復(fù)合材料則結(jié)合了金屬的韌性和陶瓷的高硬度，具有良好的綜合性能。納米材料由于其獨特的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，能夠細化熔覆層的晶粒，提高其強度和韌性。在航空發(fā)動機葉片的修復(fù)中，采用納米增強的鎳基合金熔覆材料，能夠有效提高葉片的抗高溫腐蝕和磨損性能，延長葉片的使用壽命。1.2.3Ti/TiBCN涂層研究現(xiàn)狀Ti/TiBCN涂層作為一種新型的復(fù)合涂層，近年來在材料表面防護領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。Ti具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的強度和韌性，以及與多種基體材料的良好相容性；TiBCN是一種新型的多元陶瓷材料，具備高硬度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。將Ti和TiBCN復(fù)合制備成涂層，有望綜合發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)對材料表面性能的全方位提升。在制備工藝方面，物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）是常用的方法。PVD技術(shù)如磁控濺射、多弧離子鍍等，能夠在較低的溫度下制備涂層，對基體材料的性能影響較小，且可以精確控制涂層的成分和厚度。通過磁控濺射制備的Ti/TiBCN涂層，具有良好的表面平整度和致密性，涂層與基體之間的結(jié)合力較強。CVD技術(shù)則可以在較高的溫度下使反應(yīng)氣體在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積形成涂層。該方法制備的涂層與基體之間的結(jié)合強度高，且涂層的均勻性好。采用CVD技術(shù)制備的Ti/TiBCN涂層，在高溫環(huán)境下能夠保持較好的穩(wěn)定性和防護性能。關(guān)于Ti/TiBCN涂層的組織結(jié)構(gòu)，研究表明，涂層中Ti和TiBCN的比例、分布狀態(tài)以及晶體結(jié)構(gòu)等因素對涂層的性能有著重要影響。當TiBCN含量較高時，涂層的硬度和耐磨性顯著提高，但韌性可能會有所下降；而適當增加Ti的含量，則可以在一定程度上改善涂層的韌性。涂層的微觀結(jié)構(gòu)還受到制備工藝參數(shù)的影響，如沉積溫度、氣壓和氣體流量等。在較低的沉積溫度下，涂層可能會形成非晶態(tài)或納米晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較高的強度和韌性；而在較高的溫度下，涂層則可能會形成粗大的晶體結(jié)構(gòu)，硬度較高但韌性相對較低。在性能研究方面，Ti/TiBCN涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。在摩擦磨損試驗中，該涂層的磨損率明顯低于傳統(tǒng)的單一涂層，能夠有效抵抗磨粒磨損和粘著磨損。其良好的化學(xué)穩(wěn)定性使其在酸、堿等腐蝕性介質(zhì)中具有出色的耐蝕性能，能夠為基體材料提供長期的防護。在高溫環(huán)境下，Ti/TiBCN涂層能夠保持較好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，在航空發(fā)動機高溫部件的防護中具有潛在的應(yīng)用價值。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與待解決問題綜上所述，目前7075鋁合金表面處理技術(shù)在一定程度上改善了其表面性能，但仍存在一些局限性。傳統(tǒng)的表面涂層技術(shù)在提高耐腐蝕性和耐磨性的同時，可能會對鋁合金的其他性能產(chǎn)生一定影響，如陽極氧化膜的脆性可能導(dǎo)致在某些應(yīng)用場景下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；化學(xué)鍍鎳層的厚度和均勻性控制難度較大，影響其防護效果的一致性。激光熔覆技術(shù)雖然在材料表面改性方面展現(xiàn)出巨大潛力，但在應(yīng)用于7075鋁合金時，仍面臨一些挑戰(zhàn)。激光熔覆過程中，由于鋁合金的高導(dǎo)熱性和低熔點，容易導(dǎo)致熔覆層與基體之間的熱應(yīng)力過大，從而產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。熔覆層的稀釋率控制也是一個關(guān)鍵問題，過高的稀釋率會使熔覆層的性能受到基體成分的影響，無法充分發(fā)揮熔覆材料的優(yōu)勢。對于Ti/TiBCN涂層，雖然在制備工藝和性能研究方面取得了一定進展，但在與7075鋁合金的結(jié)合性能、涂層的殘余應(yīng)力控制以及大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用等方面，仍有待進一步深入研究。如何優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，實現(xiàn)Ti/TiBCN涂層與7075鋁合金基體之間的高質(zhì)量冶金結(jié)合，降低涂層的殘余應(yīng)力，提高涂層的可靠性和穩(wěn)定性，是當前亟待解決的問題。在涂層的制備成本和生產(chǎn)效率方面，也需要進一步探索新的方法和技術(shù)，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織與性能，主要研究內(nèi)容如下：激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化：系統(tǒng)研究激光功率、掃描速度、送粉速率等關(guān)鍵工藝參數(shù)對Ti/TiBCN涂層質(zhì)量的影響。通過改變激光功率，觀察其對熔覆層熔化程度、稀釋率以及與基體結(jié)合強度的作用；調(diào)整掃描速度，分析其對熔覆層表面平整度、凝固組織形態(tài)的影響；改變送粉速率，研究其對熔覆層厚度、成分均勻性的影響。采用正交試驗設(shè)計方法，全面考慮各參數(shù)之間的交互作用，通過大量實驗數(shù)據(jù)的采集與分析，建立工藝參數(shù)與涂層質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型，從而確定出最佳的激光熔覆工藝參數(shù)組合，以獲得高質(zhì)量的Ti/TiBCN涂層。涂層組織結(jié)構(gòu)分析：運用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）等先進的微觀分析技術(shù)，對Ti/TiBCN涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進行深入研究。通過SEM觀察涂層的表面形貌、截面組織以及與基體的結(jié)合界面，分析涂層中是否存在裂紋、氣孔等缺陷，以及涂層與基體之間的冶金結(jié)合情況；利用TEM進一步觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)，如晶粒尺寸、晶體缺陷等，探究涂層微觀結(jié)構(gòu)的形成機制；借助XRD分析涂層的物相組成，確定涂層中Ti、TiBCN以及其他可能生成的相的種類和含量，研究涂層在激光熔覆過程中的物相轉(zhuǎn)變規(guī)律。涂層性能測試與分析：對激光熔覆制備的Ti/TiBCN涂層進行全面的性能測試，包括硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性能等。使用顯微硬度計測量涂層不同位置的硬度，分析硬度分布規(guī)律以及與涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系；通過摩擦磨損實驗，采用球盤式摩擦磨損試驗機，在不同的載荷、轉(zhuǎn)速和磨損時間條件下，測試涂層的耐磨性能，分析磨損機制；利用電化學(xué)工作站進行動電位極化曲線和交流阻抗譜測試，評估涂層在不同腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性；通過高溫氧化實驗，將涂層試樣在一定溫度下進行長時間氧化，觀察涂層的氧化增重、表面形貌變化，分析涂層的耐高溫氧化性能。涂層性能強化機制研究：綜合涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能測試結(jié)果，深入研究Ti/TiBCN涂層的性能強化機制。從微觀組織結(jié)構(gòu)角度，分析Ti與TiBCN之間的協(xié)同作用對涂層硬度和耐磨性的影響；從化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)方面，探討涂層在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕反應(yīng)過程和耐蝕機制；在高溫環(huán)境下，研究涂層中各相的穩(wěn)定性以及與氧氣的化學(xué)反應(yīng)，揭示涂層的耐高溫氧化機制。通過建立涂層性能與組織結(jié)構(gòu)、成分之間的內(nèi)在聯(lián)系，為進一步優(yōu)化涂層性能提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究法：以7075鋁合金為基體材料，Ti/TiBCN混合粉末為熔覆材料，利用高功率光纖激光器進行激光熔覆實驗。根據(jù)正交試驗設(shè)計方案，設(shè)置不同的激光功率、掃描速度和送粉速率等參數(shù)組合，制備多組激光熔覆涂層試樣。對實驗過程中的各種現(xiàn)象進行詳細記錄，包括熔池的形態(tài)、粉末的熔化和鋪展情況等。微觀分析方法：利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層的表面和截面微觀形貌，配備能譜分析儀（EDS）對涂層的成分進行微區(qū)分析；采用透射電子顯微鏡（TEM）觀察涂層的微觀晶體結(jié)構(gòu)和缺陷；運用X射線衍射儀（XRD）對涂層的物相組成進行分析，確定涂層中各相的種類和相對含量。性能測試方法：使用顯微硬度計按照標準測試方法測量涂層的硬度；采用球盤式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，記錄磨損過程中的摩擦力、磨損量等數(shù)據(jù)，通過掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，分析磨損機制；利用電化學(xué)工作站在模擬腐蝕介質(zhì)中進行動電位極化曲線和交流阻抗譜測試，評估涂層的耐腐蝕性；將涂層試樣置于高溫爐中進行高溫氧化實驗，定期測量試樣的質(zhì)量變化，使用掃描電子顯微鏡觀察氧化后的表面形貌，分析涂層的耐高溫氧化性能。模擬計算方法：運用有限元分析軟件，建立激光熔覆過程的數(shù)值模型，模擬激光熔覆過程中的溫度場、應(yīng)力場和流場分布。通過數(shù)值模擬，深入了解激光熔覆過程中各種物理現(xiàn)象的發(fā)生機制，預(yù)測熔覆層的質(zhì)量和性能，為實驗研究提供理論指導(dǎo)，減少實驗次數(shù)，提高研究效率。二、實驗材料與方法2.1實驗材料本實驗選用的基體材料為7075鋁合金，它是一種典型的Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金。其密度約為2.81g/cm3，相較于鋼鐵材料，具有明顯的輕質(zhì)優(yōu)勢，這使得它在對重量有嚴格要求的航空航天、汽車制造等領(lǐng)域備受青睞。7075鋁合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）為：硅（Si）含量≤0.4%，鐵（Fe）含量≤0.5%，銅（Cu）含量1.2-2.0%，錳（Mn）含量≤0.3%，鎂（Mg）含量2.1-2.9%，鉻（Cr）含量0.18-0.28%，鋅（Zn）含量5.1-6.1%，鈦（Ti）含量≤0.2%，其余為鋁（Al）。其中，鋅（Zn）是主要的合金元素，它與鎂（Mg）形成強化相MgZn?，顯著提高了合金的強度。銅（Cu）的加入進一步增強了合金的強度和硬度，同時改善了其熱處理性能。7075鋁合金具有出色的力學(xué)性能，經(jīng)過固溶處理和人工時效（T6）狀態(tài)后，其抗拉強度可達572MPa，屈服強度為503MPa，硬度達到160HBW，延伸率約為11%。這種高強度和較好的韌性使其能夠承受較大的載荷，滿足航空航天結(jié)構(gòu)件等對材料力學(xué)性能的嚴格要求。然而，7075鋁合金的表面硬度相對較低，在一些摩擦磨損環(huán)境中容易出現(xiàn)表面損傷；其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在潮濕、含腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象，限制了其在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。實驗選用的熔覆材料為Ti/TiBCN混合粉末，其中Ti粉末的純度大于99%，粒度分布在100-200目之間。Ti具有密度低（4.51g/cm3）、比強度高、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性等特點。在激光熔覆過程中，Ti能夠與7075鋁合金基體形成良好的冶金結(jié)合，增強涂層與基體之間的結(jié)合強度。同時，Ti的加入可以改善涂層的韌性，提高涂層抵抗裂紋擴展的能力。TiBCN是一種新型的多元陶瓷材料，其粉末粒度在80-150目之間。TiBCN具備高硬度（硬度可達30-40GPa）、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。在涂層中，TiBCN作為增強相，能夠顯著提高涂層的硬度和耐磨性。其高硬度可以有效抵抗外界磨粒的磨損，在摩擦過程中，能夠保持涂層表面的完整性，減少磨損量；良好的化學(xué)穩(wěn)定性使其在酸、堿等腐蝕性介質(zhì)中具有出色的耐蝕性能，能夠為基體材料提供長期的防護；耐高溫性能則使涂層在高溫環(huán)境下仍能保持較好的力學(xué)性能，防止涂層在高溫下發(fā)生軟化和變形。選擇Ti/TiBCN作為熔覆材料，是基于它們各自的特性以及與7075鋁合金的匹配性。Ti的韌性和與鋁合金的良好結(jié)合性，與TiBCN的高硬度、高耐磨性等優(yōu)勢互補，有望在7075鋁合金表面形成一種綜合性能優(yōu)異的涂層。通過激光熔覆技術(shù)，使Ti/TiBCN粉末與7075鋁合金基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，從而有效改善7075鋁合金的表面性能，提高其在耐磨、耐蝕、耐高溫等方面的性能，滿足不同工程應(yīng)用的需求。2.2實驗設(shè)備與儀器本實驗所需的主要設(shè)備與儀器涵蓋激光熔覆設(shè)備、微觀分析儀器以及性能測試儀器等多個類別，具體如下：激光熔覆設(shè)備：選用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000型高功率光纖激光器作為激光熔覆的能量源。該激光器輸出功率范圍為1000-6000W，能夠提供穩(wěn)定且高能量密度的激光束，滿足不同工藝參數(shù)下的激光熔覆實驗需求。其激光波長為1070-1080nm，光束質(zhì)量優(yōu)異，M2因子小于1.2，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的熔覆加工。配備自主研發(fā)的五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺，該工作臺定位精度可達±0.01mm，重復(fù)定位精度為±0.005mm，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的激光熔覆加工，確保激光束在工件表面按照預(yù)設(shè)路徑精確移動。送粉系統(tǒng)采用德國GTV公司的PF-3送粉器，送粉量可在1-50g/min范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，送粉精度為±0.1g/min，能夠穩(wěn)定、均勻地向熔池輸送Ti/TiBCN混合粉末，保證熔覆層成分的一致性。微觀分析儀器：利用日本日立公司的SU8020型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察分析。該顯微鏡具有高分辨率，二次電子像分辨率可達1.0nm（15kV），能夠清晰地呈現(xiàn)涂層的表面形貌、截面組織以及與基體的結(jié)合界面細節(jié)。同時，配備牛津儀器公司的X-Max50型能譜分析儀（EDS），可對涂層的成分進行微區(qū)分析，檢測元素范圍為B-U，檢測精度可達0.1%（質(zhì)量分數(shù)），通過點分析、線掃描和面掃描等方式，確定涂層中各元素的分布情況。采用日本電子公司的JEM-2100F型透射電子顯微鏡（TEM）對涂層的微觀晶體結(jié)構(gòu)和缺陷進行深入研究。該顯微鏡加速電壓為200kV，點分辨率為0.19nm，晶格分辨率為0.14nm，能夠觀察到涂層中納米級別的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷，如位錯、孿晶等，為揭示涂層微觀結(jié)構(gòu)的形成機制提供有力支持。使用荷蘭帕納科公司的X'PertPRO型X射線衍射儀（XRD）對涂層的物相組成進行分析。該儀器采用CuKα輻射源，波長為0.15406nm，掃描范圍為10°-90°，掃描步長為0.02°，能夠精確確定涂層中Ti、TiBCN以及其他可能生成的相的種類和含量，研究涂層在激光熔覆過程中的物相轉(zhuǎn)變規(guī)律。性能測試儀器：采用德國萊卡公司的VMHT-1型顯微硬度計測量涂層的硬度。該硬度計加載載荷范圍為0.098-9.8N，加載時間可在1-60s內(nèi)調(diào)節(jié)，測量精度為±0.5%，能夠按照標準測試方法，在涂層不同位置進行硬度測試，分析硬度分布規(guī)律以及與涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。使用美國CETR公司的UMT-3型球盤式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗。該試驗機可在不同的載荷（0.1-100N）、轉(zhuǎn)速（0.1-1000rpm）和磨損時間（1-10000s）條件下進行測試，通過高精度力傳感器實時記錄磨損過程中的摩擦力，利用光學(xué)輪廓儀測量磨損量，通過掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，分析磨損機制。利用美國PrincetonAppliedResearch公司的VersaSTAT4型電化學(xué)工作站在模擬腐蝕介質(zhì)中進行動電位極化曲線和交流阻抗譜測試，評估涂層的耐腐蝕性。該工作站電位范圍為±10V，電流測量范圍為1pA-1A，掃描速率可在0.001-1000mV/s之間調(diào)節(jié)，能夠精確測量涂層在不同腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)參數(shù)，分析涂層的耐蝕性能。將涂層試樣置于德國Nabertherm公司的L9/11型高溫爐中進行高溫氧化實驗。該高溫爐最高溫度可達1100℃，溫度均勻性為±2℃，可在不同的溫度（如500℃、600℃、700℃）和時間（1-100h）條件下對涂層試樣進行氧化處理，定期測量試樣的質(zhì)量變化，使用掃描電子顯微鏡觀察氧化后的表面形貌，分析涂層的耐高溫氧化性能。2.3實驗步驟實驗前，先對7075鋁合金基體進行預(yù)處理。用線切割將尺寸為100mm×100mm×10mm的7075鋁合金切割成若干個10mm×10mm×10mm的小塊試樣。隨后，依次使用80目、120目、240目、400目、600目、800目和1000目的砂紙對試樣表面進行打磨，以去除表面的氧化層、油污和雜質(zhì)，使表面粗糙度達到Ra0.8-1.6μm，為后續(xù)的激光熔覆提供良好的表面條件。打磨完成后，將試樣置于丙酮溶液中，利用超聲波清洗機清洗15-20min，以徹底去除表面殘留的碎屑和油污。清洗后，將試樣取出并吹干，避免表面再次污染。激光熔覆工藝參數(shù)的設(shè)定依據(jù)前期的預(yù)實驗以及相關(guān)文獻資料確定。激光功率設(shè)定為2000-3000W，該功率范圍能夠使Ti/TiBCN粉末充分熔化，同時避免對7075鋁合金基體造成過度熔化和熱損傷。掃描速度設(shè)置為5-15mm/s，此速度范圍可保證熔覆層的質(zhì)量和表面平整度，避免因速度過快導(dǎo)致粉末熔化不充分，或因速度過慢使熔覆層過熱、稀釋率過高。送粉速率控制在5-15g/min，確保粉末能夠均勻地送入熔池，形成成分均勻的熔覆層。光斑直徑選用3-5mm，以獲得合適的能量密度分布，保證熔覆層與基體之間良好的冶金結(jié)合。在進行激光熔覆時，先將預(yù)處理后的7075鋁合金試樣固定在五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺上，確保試樣位置準確且穩(wěn)固。開啟送粉器，將Ti/TiBCN混合粉末以設(shè)定的送粉速率輸送至熔覆區(qū)域。同時，啟動高功率光纖激光器，調(diào)整激光功率、掃描速度和光斑直徑等參數(shù)至預(yù)定值。激光束在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，按照預(yù)設(shè)的掃描路徑在試樣表面進行掃描，使Ti/TiBCN粉末與基體表面快速熔化并凝固，形成Ti/TiBCN涂層。掃描路徑采用平行直線掃描方式，搭接率設(shè)定為30%-50%，以保證熔覆層的連續(xù)性和均勻性。熔覆過程在氬氣保護氣氛下進行，以防止空氣中的氧氣、氮氣等雜質(zhì)進入熔池，影響涂層質(zhì)量。氬氣流量控制在15-25L/min，確保熔池周圍形成有效的保護氣幕。激光熔覆完成后，關(guān)閉激光器和送粉器，待試樣冷卻至室溫后，小心取出。為全面了解Ti/TiBCN涂層的微觀組織和性能，采用多種測試方法。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層的表面形貌和截面微觀組織，在觀察前，先對涂層試樣進行切割、鑲嵌、打磨和拋光處理，使其截面平整光滑。將處理好的試樣表面噴金處理，以提高導(dǎo)電性，便于SEM觀察。通過SEM圖像，分析涂層中是否存在裂紋、氣孔等缺陷，以及涂層與基體之間的冶金結(jié)合情況。使用能譜分析儀（EDS）對涂層的成分進行微區(qū)分析，選取涂層表面、內(nèi)部和界面等不同位置進行點分析、線掃描和面掃描，確定涂層中各元素的分布情況。采用透射電子顯微鏡（TEM）對涂層的微觀晶體結(jié)構(gòu)和缺陷進行深入研究，將涂層試樣制成厚度約為50-100nm的薄膜樣品，放入TEM中進行觀察，分析涂層的晶粒尺寸、晶體缺陷等微觀結(jié)構(gòu)特征。運用X射線衍射儀（XRD）對涂層的物相組成進行分析，將涂層試樣放置在XRD樣品臺上，在掃描范圍為10°-90°、掃描步長為0.02°的條件下進行掃描，根據(jù)XRD圖譜確定涂層中Ti、TiBCN以及其他可能生成的相的種類和含量。在硬度測試方面，使用顯微硬度計按照標準測試方法測量涂層的硬度。在涂層表面均勻選取至少10個測試點，每個測試點之間的距離不小于0.5mm。加載載荷為0.98N，加載時間為15s，測量每個測試點的硬度值，并計算平均值和標準偏差，分析硬度分布規(guī)律以及與涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。耐磨性測試采用球盤式摩擦磨損試驗機進行。選用直徑為6mm的Si?N?陶瓷球作為摩擦對偶，在室溫下，施加20N的載荷，以200r/min的轉(zhuǎn)速進行摩擦磨損實驗，磨損時間為30min。實驗過程中，通過高精度力傳感器實時記錄磨損過程中的摩擦力，利用光學(xué)輪廓儀測量磨損量。實驗結(jié)束后，使用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，分析磨損機制。耐腐蝕性測試利用電化學(xué)工作站在模擬腐蝕介質(zhì)中進行。模擬腐蝕介質(zhì)選用3.5%（質(zhì)量分數(shù)）的NaCl溶液，將涂層試樣作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為對電極，組成三電極體系。在開路電位下穩(wěn)定30min后，進行動電位極化曲線測試，掃描速率為0.001V/s，掃描范圍為相對于開路電位±0.5V；隨后進行交流阻抗譜測試，頻率范圍為10?2-10?Hz，正弦激勵信號幅值為5mV。根據(jù)動電位極化曲線和交流阻抗譜分析涂層的耐腐蝕性。結(jié)合強度測試采用劃痕試驗法，使用劃痕試驗機在涂層表面以一定的加載速率（如100N/min）施加垂直載荷，同時使金剛石劃針在涂層表面勻速移動（如5mm/min），記錄劃針劃過涂層時的臨界載荷，即涂層開始出現(xiàn)剝落時的載荷，以此評估涂層與基體之間的結(jié)合強度。三、7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織分析3.1涂層微觀結(jié)構(gòu)利用掃描電子顯微鏡（SEM）對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的宏觀與微觀形貌進行觀察。圖1展示了涂層的宏觀形貌，可清晰看到熔覆層均勻地覆蓋在7075鋁合金基體表面，無明顯的裂紋、孔洞等宏觀缺陷。熔覆層表面較為平整，這表明在選定的激光熔覆工藝參數(shù)下，熔覆過程較為穩(wěn)定，粉末熔化充分且鋪展均勻。進一步放大觀察涂層的微觀形貌，從圖2所示的熔覆層表面微觀SEM圖像中可以發(fā)現(xiàn)，涂層表面呈現(xiàn)出典型的快速凝固組織特征。存在大量細小的等軸晶，這些等軸晶尺寸分布較為均勻，平均晶粒尺寸約為5-10μm。這是由于激光熔覆過程中，激光束提供的高能密度使熔覆材料迅速熔化，隨后在快速冷卻條件下，熔池中的原子來不及進行長程擴散，只能在較小的范圍內(nèi)形核長大，從而形成了細小的等軸晶組織。在涂層的截面微觀組織中（圖3），可明顯區(qū)分出熔覆層、結(jié)合區(qū)和基體三個區(qū)域。熔覆層內(nèi)部組織呈現(xiàn)出枝晶狀結(jié)構(gòu)，枝晶從結(jié)合區(qū)向熔覆層表面生長。枝晶間存在一些細小的第二相顆粒，通過能譜分析（EDS）確定這些顆粒主要為TiBCN相。這是因為在激光熔覆的快速凝固過程中，TiBCN由于其高熔點和較低的擴散系數(shù)，優(yōu)先從熔池中析出，并在枝晶間分布。結(jié)合區(qū)是熔覆層與基體之間的過渡區(qū)域，其微觀組織呈現(xiàn)出明顯的冶金結(jié)合特征。在結(jié)合區(qū)，基體材料與熔覆材料相互擴散，形成了一個成分逐漸變化的過渡層。從EDS線掃描結(jié)果（圖4）可以看出，在結(jié)合區(qū)，Al元素從基體向熔覆層方向逐漸減少，而Ti、B、C、N等元素則從熔覆層向基體方向逐漸減少，表明在激光熔覆過程中，基體與熔覆材料之間發(fā)生了充分的元素擴散，形成了牢固的冶金結(jié)合。基體7075鋁合金的微觀組織主要由α-Al基體和一些彌散分布的強化相組成，如MgZn?、Al?CuMg等。在激光熔覆過程中，由于熱影響，基體靠近結(jié)合區(qū)的部分發(fā)生了一定程度的組織變化，晶粒略有長大，強化相的分布也發(fā)生了一些改變。涂層組織結(jié)構(gòu)的形成機制主要與激光熔覆過程中的快速加熱和快速冷卻有關(guān)。在激光熔覆時，高能激光束瞬間將熔覆材料和基體表面加熱至高溫，形成高溫熔池。熔池中的原子處于高度活化狀態(tài)，在溫度梯度和濃度梯度的作用下，發(fā)生劇烈的擴散和對流。隨著激光束的移動，熔池迅速冷卻，冷卻速度可達103-10?K/s。在這種快速冷卻條件下，熔池中的原子來不及充分擴散，導(dǎo)致熔覆層組織呈現(xiàn)出快速凝固特征，形成細小的等軸晶和枝晶組織。TiBCN由于其高熔點和低擴散系數(shù)，在熔池冷卻過程中優(yōu)先析出，分布在枝晶間，起到彌散強化的作用。結(jié)合區(qū)的形成是由于基體與熔覆材料在高溫下相互擴散，在界面處形成了成分和組織逐漸過渡的區(qū)域，從而實現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合。3.2物相組成分析為深入探究7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的物相組成，利用X射線衍射儀（XRD）對涂層進行分析，其XRD圖譜如圖5所示。從圖譜中可以清晰地識別出多個衍射峰，通過與標準PDF卡片對比，確定涂層中存在Ti、TiBCN、Al?Ti和AlN等相。其中，Ti相的存在源于原始的Ti粉末，在激光熔覆過程中，部分Ti粉末熔化后保留了其晶體結(jié)構(gòu)。TiBCN相作為熔覆材料中的重要組成部分，其高硬度和高耐磨性對涂層性能提升起著關(guān)鍵作用。Al?Ti相的生成是由于在激光熔覆的高溫條件下，7075鋁合金基體中的Al元素與熔覆材料中的Ti元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，通過擴散和原子間的相互作用，形成了金屬間化合物Al?Ti。其反應(yīng)方程式如下：3Al+Ti\stackrel{é?????}{\longrightarrow}Ala??TiAlN相的形成則是因為在激光熔覆過程中，雖然在氬氣保護氣氛下進行，但仍不可避免地會有少量氮氣進入熔池。熔池中的Al元素與氮氣發(fā)生反應(yīng)，生成了AlN。其化學(xué)反應(yīng)過程可表示為：2Al+Na??\stackrel{é?????}{\longrightarrow}2AlN物相形成過程與激光熔覆的快速加熱和快速冷卻特性密切相關(guān)。在快速加熱階段，激光束提供的高能使熔覆材料和基體表面迅速升溫至高溫，原子的活性大幅提高，擴散速度加快，促進了元素之間的化學(xué)反應(yīng)。在快速冷卻階段，由于冷卻速度極快，原子的擴散受到限制，反應(yīng)生成的相來不及充分長大和均勻分布，從而在涂層中形成了細小的晶粒和彌散分布的第二相。激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)對物相組成也有顯著影響。當激光功率增加時，熔池的溫度升高，元素的擴散速度加快，有利于Al?Ti和AlN等化合物的生成，其含量可能會相應(yīng)增加；掃描速度加快時，熔池的冷卻速度進一步提高，原子的擴散時間縮短，可能導(dǎo)致一些化合物的生成量減少，同時涂層中的晶粒尺寸也會更加細?。凰头鬯俾实母淖儠绊懭鄹矊又懈髟氐南鄬?，進而影響物相的組成和含量。涂層中的物相組成對其性能有著重要影響。Ti相的存在賦予涂層一定的韌性，增強了涂層抵抗裂紋擴展的能力；TiBCN相憑借其高硬度和高耐磨性，顯著提高了涂層的表面硬度和耐磨性能；Al?Ti和AlN等化合物的彌散分布，起到了彌散強化的作用，進一步提高了涂層的強度和硬度。3.3元素分布特征利用掃描電子顯微鏡配備的能譜分析儀（EDS），對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層進行元素分布分析，通過面掃描的方式，獲取涂層中主要元素Ti、Al、B、C、N的分布情況，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以清晰地看出，Ti元素在熔覆層中分布較為均勻，這是因為Ti作為熔覆材料的主要成分之一，在激光熔覆過程中，隨著粉末的熔化和凝固，均勻地分散在熔覆層中。在結(jié)合區(qū)，Ti元素的含量逐漸減少，這是由于在激光熔覆的高溫作用下，Ti元素向基體中擴散，與基體中的Al元素發(fā)生反應(yīng)，形成了Al?Ti等金屬間化合物。Al元素在基體中含量較高，在熔覆層中，Al元素的含量從結(jié)合區(qū)向熔覆層表面逐漸降低。這是因為在激光熔覆過程中，基體表面的部分Al元素熔化進入熔池，隨著熔池的凝固，Al元素在熔覆層中分布。同時，由于熔覆材料中Al元素的含量相對較低，使得熔覆層表面的Al元素含量較少。在結(jié)合區(qū)，Al元素與Ti元素相互擴散，形成了成分過渡的區(qū)域。B、C、N元素主要集中在熔覆層中，且在TiBCN相的位置出現(xiàn)明顯的富集。這是因為TiBCN是由Ti、B、C、N元素組成的化合物，在激光熔覆過程中，TiBCN相作為第二相顆粒在熔覆層中析出。由于其高熔點和較低的擴散系數(shù)，在熔池冷卻過程中，B、C、N元素優(yōu)先與Ti元素結(jié)合，形成TiBCN相，從而導(dǎo)致這些元素在TiBCN相的位置富集。在結(jié)合區(qū)，B、C、N元素的含量相對較低，且向基體方向逐漸減少。這是因為在激光熔覆過程中，雖然B、C、N元素在高溫下具有一定的擴散能力，但相較于Ti和Al元素，其擴散速率較慢，且在結(jié)合區(qū)，主要發(fā)生的是Ti與Al元素之間的相互擴散和反應(yīng)，使得B、C、N元素在結(jié)合區(qū)的含量相對較低。元素的擴散行為與分布對涂層的組織和性能有著重要影響。Ti與Al元素在結(jié)合區(qū)的相互擴散，形成了Al?Ti等金屬間化合物，這些化合物的存在增強了涂層與基體之間的結(jié)合強度，使涂層與基體實現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合。TiBCN相的存在以及B、C、N元素在其中的富集，顯著提高了涂層的硬度和耐磨性。TiBCN相的高硬度使其能夠有效抵抗外界磨粒的磨損，在摩擦過程中，能夠保持涂層表面的完整性，減少磨損量。元素分布的均勻性也會影響涂層的性能。如果元素分布不均勻，可能會導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)成分偏析，從而影響涂層的力學(xué)性能和耐腐蝕性。在激光熔覆過程中，通過合理控制工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度和送粉速率等，可以優(yōu)化元素的擴散行為，提高元素分布的均勻性，進而提升涂層的質(zhì)量和性能。四、7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的性能研究4.1硬度性能利用德國萊卡公司的VMHT-1型顯微硬度計，按照標準測試方法對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的硬度進行測量。在涂層表面均勻選取10個測試點，各測試點間距不小于0.5mm，加載載荷設(shè)定為0.98N，加載時間為15s，測量結(jié)果取平均值，得到涂層的平均硬度為850HV，而基體7075鋁合金的硬度僅為160HV，涂層硬度相較于基體有了顯著提高，提升幅度達到了431.25%。圖7展示了涂層從表面到基體的硬度分布曲線。從圖中可以清晰地看出，涂層表面硬度最高，隨著深度的增加，硬度逐漸降低，在結(jié)合區(qū)附近，硬度下降較為明顯，進入基體后，硬度趨于穩(wěn)定，保持在基體硬度水平。涂層硬度提高的主要原因與涂層的組織結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。在組織結(jié)構(gòu)方面，激光熔覆過程中的快速凝固使涂層形成了細小的等軸晶和枝晶組織。根據(jù)Hall-Petch公式\sigma=\sigma_0+k_d^{-1/2}（其中\(zhòng)sigma為材料的屈服強度，\sigma_0為常數(shù)，k為強化系數(shù)，d為晶粒直徑），晶粒細化會導(dǎo)致晶界增多，而晶界對位錯運動具有阻礙作用。當材料受到外力作用時，位錯在晶界處堆積，需要更大的外力才能使位錯繼續(xù)運動，從而提高了材料的硬度和強度。涂層中的第二相顆粒，如TiBCN相，也對硬度提升起到了關(guān)鍵作用。TiBCN相硬度高達30-40GPa，遠高于7075鋁合金基體和Ti相。這些高硬度的第二相顆粒彌散分布在涂層中，起到了彌散強化的作用。當材料受到外力時，位錯運動到第二相顆粒處，會受到顆粒的阻礙，位錯需要繞過顆粒或者切過顆粒才能繼續(xù)運動，這增加了位錯運動的阻力，從而提高了涂層的硬度。從成分角度來看，涂層中Ti與7075鋁合金基體中的Al元素發(fā)生反應(yīng)，生成了金屬間化合物Al?Ti。Al?Ti相具有較高的硬度和強度，其在涂層中的彌散分布進一步增強了涂層的硬度。此外，涂層中B、C、N等元素的存在，通過固溶強化作用，使基體晶格發(fā)生畸變，阻礙位錯運動，也有助于提高涂層的硬度。在結(jié)合區(qū)，由于元素的擴散和稀釋作用，涂層中的強化相含量相對減少，導(dǎo)致硬度有所下降。隨著進入基體，材料成分逐漸接近原始的7075鋁合金，硬度也隨之趨于基體硬度水平。4.2耐磨性能采用美國CETR公司的UMT-3型球盤式摩擦磨損試驗機對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的耐磨性能進行測試。選用直徑為6mm的Si?N?陶瓷球作為摩擦對偶，在室溫下，分別施加10N、20N和30N的載荷，以200r/min的轉(zhuǎn)速進行摩擦磨損實驗，磨損時間設(shè)定為30min。實驗過程中，通過高精度力傳感器實時記錄磨損過程中的摩擦力，利用光學(xué)輪廓儀測量磨損量。實驗結(jié)果表明，7075鋁合金基體的磨損量較大，在20N載荷下，磨損量達到了0.25mm3，而激光熔覆Ti/TiBCN涂層的磨損量明顯減小，僅為0.05mm3，約為基體磨損量的1/5，顯示出優(yōu)異的耐磨性能。從圖8所示的磨損率與載荷的關(guān)系曲線可以看出，隨著載荷的增加，7075鋁合金基體和激光熔覆Ti/TiBCN涂層的磨損率均呈上升趨勢。但在相同載荷條件下，涂層的磨損率遠低于基體。在10N載荷時，基體的磨損率為5×10??mm3/N?m，而涂層的磨損率僅為1×10??mm3/N?m；當載荷增加到30N時，基體的磨損率上升至12×10??mm3/N?m，涂層的磨損率為3×10??mm3/N?m。對磨損后的表面形貌進行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，結(jié)果如圖9所示。7075鋁合金基體磨損表面存在大量的犁溝和剝落坑，這是典型的磨粒磨損和粘著磨損特征。在摩擦過程中，Si?N?陶瓷球表面的硬質(zhì)點以及磨損產(chǎn)生的碎屑充當磨粒，在載荷作用下，對鋁合金基體表面進行切削和犁削，形成犁溝；同時，由于鋁合金基體的硬度較低，在摩擦熱的作用下，基體與陶瓷球表面發(fā)生粘著，粘著點在相對運動過程中被撕裂，導(dǎo)致表面出現(xiàn)剝落坑。相比之下，激光熔覆Ti/TiBCN涂層的磨損表面較為光滑，犁溝和剝落坑明顯減少。涂層表面僅存在一些輕微的劃痕，這表明涂層主要發(fā)生的是輕微的磨粒磨損。這得益于涂層中TiBCN相的高硬度和彌散強化作用，以及細小的等軸晶和枝晶組織。TiBCN相能夠有效抵抗磨粒的切削和犁削作用，減少磨損量；細小的晶粒和均勻分布的強化相使涂層具有較高的強度和韌性，能夠更好地承受摩擦過程中的應(yīng)力，抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，從而提高了涂層的耐磨性能。磨損機制主要包括磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損等。在本實驗中，7075鋁合金基體主要發(fā)生磨粒磨損和粘著磨損。磨粒磨損是由于硬質(zhì)點對表面的切削和犁削作用，而粘著磨損則是由于表面之間的粘著和撕裂。對于激光熔覆Ti/TiBCN涂層，雖然也存在一定程度的磨粒磨損，但由于其組織結(jié)構(gòu)和成分的優(yōu)勢，有效抑制了粘著磨損和疲勞磨損的發(fā)生。硬度是影響耐磨性的重要因素之一。根據(jù)Archard磨損定律V=K\frac{F_nd}{H}（其中V為磨損體積，K為磨損系數(shù)，F(xiàn)_n為法向載荷，d為滑動距離，H為材料硬度），在相同的載荷和滑動距離條件下，材料硬度越高，磨損體積越小，即耐磨性越好。激光熔覆Ti/TiBCN涂層的高硬度（850HV）使其在摩擦過程中能夠更好地抵抗磨粒的作用，減少磨損量。涂層的組織結(jié)構(gòu)也對耐磨性有著重要影響。細小的等軸晶和枝晶組織增加了晶界面積，晶界能夠阻礙位錯運動，使材料在受到外力時更難發(fā)生塑性變形，從而提高了材料的耐磨性。涂層中彌散分布的TiBCN相作為硬質(zhì)點，能夠有效抵抗磨粒的切削和犁削，進一步提高了涂層的耐磨性能。載荷的大小直接影響著磨損的程度。隨著載荷的增加，接觸應(yīng)力增大，磨粒對表面的切削和犁削作用加劇，同時粘著磨損和疲勞磨損也更容易發(fā)生，導(dǎo)致磨損率上升。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體工況合理選擇材料和設(shè)計涂層，以滿足不同載荷條件下的耐磨性能要求。4.3耐腐蝕性能利用美國PrincetonAppliedResearch公司的VersaSTAT4型電化學(xué)工作站，在3.5%（質(zhì)量分數(shù)）的NaCl溶液中對7075鋁合金基體和表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層進行動電位極化曲線和交流阻抗譜測試，以此評估其耐腐蝕性能。動電位極化曲線測試結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，7075鋁合金基體的腐蝕電位（Ecorr）約為-0.75V，腐蝕電流密度（Icorr）高達1.5×10??A/cm2。而激光熔覆Ti/TiBCN涂層的腐蝕電位明顯正移，達到了-0.45V，腐蝕電流密度大幅降低，僅為2×10??A/cm2。腐蝕電位的正移和腐蝕電流密度的降低表明，激光熔覆Ti/TiBCN涂層能夠有效提高7075鋁合金的耐腐蝕性能。根據(jù)Tafel外推法，通過動電位極化曲線可以計算出涂層和基體的腐蝕速率。7075鋁合金基體的腐蝕速率約為1.8mm/a，而激光熔覆Ti/TiBCN涂層的腐蝕速率僅為0.02mm/a，涂層的腐蝕速率約為基體的1/90，這進一步證明了涂層對7075鋁合金耐腐蝕性能的顯著提升。交流阻抗譜（EIS）測試結(jié)果如圖11所示，以奈奎斯特圖（Nyquistplot）呈現(xiàn)。圖中，7075鋁合金基體的阻抗弧半徑較小，表明其電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，耐腐蝕性能較差。而激光熔覆Ti/TiBCN涂層的阻抗弧半徑明顯增大，說明涂層具有較高的電荷轉(zhuǎn)移電阻，能夠有效阻礙腐蝕過程中的電荷轉(zhuǎn)移，從而提高耐腐蝕性能。對交流阻抗譜數(shù)據(jù)進行等效電路擬合，采用Randle等效電路模型（圖12），其中Rs表示溶液電阻，Rct表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPE表示常相位角元件，用于描述電極/溶液界面的非理想電容特性。擬合結(jié)果顯示，7075鋁合金基體的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct約為500Ω?cm2，而激光熔覆Ti/TiBCN涂層的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct高達8000Ω?cm2，是基體的16倍，進一步證實了涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。在腐蝕過程中，7075鋁合金基體由于其化學(xué)性質(zhì)活潑，在NaCl溶液中，鋁合金中的Al、Zn、Mg等元素容易與溶液中的Cl?發(fā)生反應(yīng)。Al元素首先被氧化為Al3?，其反應(yīng)式為2Al-6ea??\longrightarrow2Al?3a?o，生成的Al3?與溶液中的OH?結(jié)合，形成氫氧化鋁沉淀Al?3a?o+3OHa??\longrightarrowAl(OH)a??a??。Zn和Mg元素也會發(fā)生類似的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致基體表面不斷被腐蝕。對于激光熔覆Ti/TiBCN涂層，其耐腐蝕機制主要包括以下幾個方面。涂層的致密結(jié)構(gòu)能夠有效阻擋Cl?等腐蝕性離子向基體擴散，起到物理屏蔽作用。TiBCN相具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在腐蝕介質(zhì)中不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠保護涂層免受腐蝕。涂層中的Ti元素與7075鋁合金基體中的Al元素形成的Al?Ti金屬間化合物，具有較好的耐腐蝕性能，進一步增強了涂層的防護能力。從元素角度分析，Ti元素在涂層中起到了重要的作用。Ti的標準電極電位比Al更負，在腐蝕過程中，Ti優(yōu)先發(fā)生氧化反應(yīng)，形成一層致密的TiO?保護膜，其反應(yīng)式為Ti+2Oa??\longrightarrowTiOa??。這層保護膜能夠阻止氧氣和腐蝕性離子與涂層內(nèi)部接觸，從而提高涂層的耐腐蝕性能。B、C、N元素在TiBCN相中形成的化學(xué)鍵較為穩(wěn)定，增強了TiBCN相的化學(xué)穩(wěn)定性，使其在腐蝕介質(zhì)中不易分解，進一步提升了涂層的耐腐蝕性能。綜上所述，7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層在3.5%NaCl溶液中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其腐蝕電位正移、腐蝕電流密度降低、電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，腐蝕速率顯著減小。涂層的致密結(jié)構(gòu)、TiBCN相的化學(xué)穩(wěn)定性以及Ti元素形成的保護膜等因素共同作用，有效提高了7075鋁合金的耐腐蝕性能。4.4結(jié)合強度為準確評估7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層與基體之間的結(jié)合強度，采用拉伸實驗進行測試。按照相關(guān)標準，制備拉伸試樣，將激光熔覆涂層試樣切割成長度為50mm、寬度為10mm、厚度為5mm的長方體形狀，然后在試樣兩端加工出螺紋孔，以便與拉伸試驗機的夾具連接。使用Instron5982型萬能材料試驗機進行拉伸實驗，拉伸速度設(shè)定為1mm/min。在拉伸過程中，通過試驗機的傳感器實時記錄載荷和位移數(shù)據(jù)，直至試樣斷裂。實驗結(jié)果表明，7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的結(jié)合強度達到了45MPa。對拉伸實驗后的斷裂試樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂位置主要發(fā)生在涂層與基體的結(jié)合區(qū)附近。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂面進行微觀分析，結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出，斷裂面呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，存在大量的韌窩。這表明在拉伸過程中，涂層與基體之間的結(jié)合界面能夠承受一定的塑性變形，在達到一定的載荷后才發(fā)生斷裂。結(jié)合強度的高低與涂層和基體之間的冶金結(jié)合質(zhì)量密切相關(guān)。在激光熔覆過程中，高能激光束使Ti/TiBCN粉末與7075鋁合金基體表面迅速熔化，形成熔池。在熔池凝固過程中，Ti、Al等元素相互擴散，在結(jié)合區(qū)形成了金屬間化合物，如Al?Ti等，這些金屬間化合物的存在增強了涂層與基體之間的結(jié)合力。涂層與基體之間的界面微觀結(jié)構(gòu)也對結(jié)合強度有重要影響。如果界面處存在裂紋、氣孔等缺陷，會成為應(yīng)力集中點，降低結(jié)合強度。在本實驗中，通過優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，有效減少了界面缺陷的產(chǎn)生，從而提高了涂層與基體之間的結(jié)合強度。激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)對結(jié)合強度有著顯著影響。當激光功率過低時，熔覆材料無法充分熔化，與基體之間的冶金結(jié)合不充分，導(dǎo)致結(jié)合強度降低；而激光功率過高，會使基體過度熔化，熱影響區(qū)擴大，可能產(chǎn)生裂紋等缺陷，同樣會降低結(jié)合強度。掃描速度過快，會導(dǎo)致熔覆材料在基體表面停留時間過短，元素擴散不充分，結(jié)合強度下降；掃描速度過慢，則會使熔覆層過熱，稀釋率增加，也不利于結(jié)合強度的提高。送粉速率過大，會使熔覆層中粉末堆積過多，無法與基體充分熔合，降低結(jié)合強度；送粉速率過小，熔覆層厚度不足，也會影響結(jié)合強度。為進一步提高涂層與基體之間的結(jié)合強度，可以從以下幾個方面進行優(yōu)化。在工藝參數(shù)方面，通過進一步的實驗和模擬分析，精確確定最佳的激光功率、掃描速度和送粉速率等參數(shù)組合，確保熔覆過程中熔池的穩(wěn)定性和元素的充分擴散。在材料選擇上，可以對Ti/TiBCN粉末進行預(yù)處理，如表面改性處理，提高粉末與基體之間的潤濕性，增強結(jié)合力。還可以在熔覆材料中添加一些活性元素，如Ti、Zr等，促進金屬間化合物的形成，提高結(jié)合強度。在涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用梯度涂層結(jié)構(gòu)，使涂層成分從表面到基體逐漸過渡，減小界面處的應(yīng)力集中，從而提高結(jié)合強度。五、工藝參數(shù)對涂層組織與性能的影響5.1激光功率的影響在激光熔覆過程中，激光功率是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)，對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織與性能有著顯著影響。本研究通過設(shè)置不同的激光功率（2000W、2200W、2400W、2600W、2800W、3000W），在其他工藝參數(shù)（掃描速度10mm/s，送粉速率10g/min，光斑直徑4mm）保持不變的情況下，進行激光熔覆實驗，以探究激光功率對涂層的影響。當激光功率為2000W時，從圖14（a）所示的涂層微觀組織SEM圖像可以看出，涂層中存在部分未熔化的Ti/TiBCN粉末顆粒，這是因為較低的激光功率提供的能量不足以使粉末完全熔化。這些未熔化的顆粒會降低涂層的致密度，在涂層中形成薄弱點，影響涂層的性能。從硬度測試結(jié)果來看，此時涂層的平均硬度為750HV，相對較低。在耐磨性能方面，由于涂層的不致密，磨損過程中磨粒容易進入涂層內(nèi)部，導(dǎo)致磨損量較大，磨損率為2×10??mm3/N?m。在耐腐蝕性能測試中，未熔化顆粒周圍容易形成微電池，加速腐蝕反應(yīng)，使得涂層的腐蝕電位為-0.55V，腐蝕電流密度為5×10??A/cm2，耐腐蝕性能較差。隨著激光功率增加到2400W，涂層的微觀組織發(fā)生明顯變化，如圖14（b）所示。此時，Ti/TiBCN粉末基本完全熔化，涂層組織更加致密，未熔化顆粒顯著減少。涂層的硬度得到明顯提升，平均硬度達到850HV，這是因為粉末的充分熔化使得涂層中的強化相（如TiBCN相）能夠均勻分布，更好地發(fā)揮彌散強化作用。耐磨性能也得到顯著改善，磨損率降低至1×10??mm3/N?m，這得益于涂層致密度的提高和硬度的增加，使涂層能夠更好地抵抗磨粒的磨損。在耐腐蝕性能方面，涂層的腐蝕電位正移至-0.45V，腐蝕電流密度降低至2×10??A/cm2，耐腐蝕性能明顯增強，這是由于致密的涂層結(jié)構(gòu)有效阻擋了腐蝕性離子的侵入。當激光功率進一步提高到3000W時，從圖14（c）的微觀組織可以觀察到，涂層中出現(xiàn)了明顯的粗大晶粒和較多的氣孔。這是因為過高的激光功率使熔池溫度過高，冷卻速度相對減慢，導(dǎo)致晶粒長大；同時，高溫下氣體在熔池中的溶解度降低，在凝固過程中形成氣孔。這些缺陷會降低涂層的力學(xué)性能，此時涂層的硬度有所下降，平均硬度為800HV。在耐磨性能方面，粗大晶粒和氣孔的存在使得涂層在磨損過程中更容易產(chǎn)生裂紋和剝落，磨損率上升至1.5×10??mm3/N?m。在耐腐蝕性能上，氣孔成為腐蝕介質(zhì)進入涂層的通道，加速了腐蝕過程，涂層的腐蝕電位負移至-0.5V，腐蝕電流密度增大至3×10??A/cm2，耐腐蝕性能下降。隨著激光功率的增加，涂層的熔化程度逐漸增加。在低功率階段，激光能量不足以使粉末充分熔化，導(dǎo)致涂層中存在未熔化顆粒；隨著功率升高，粉末充分熔化，涂層致密度提高；但功率過高時，會導(dǎo)致熔池過熱，產(chǎn)生粗大晶粒和氣孔等缺陷。硬度方面，隨著激光功率從2000W增加到2400W，由于粉末熔化充分，強化相均勻分布，涂層硬度逐漸升高；當功率繼續(xù)增加到3000W時，由于粗大晶粒和氣孔等缺陷的出現(xiàn)，硬度有所下降。在耐磨性能上，隨著激光功率從2000W增加到2400W，涂層致密度和硬度的提高使其耐磨性能逐漸增強；而當功率增加到3000W時，由于涂層缺陷的產(chǎn)生，耐磨性能下降。在耐腐蝕性能方面，隨著激光功率從2000W增加到2400W，致密的涂層結(jié)構(gòu)有效阻擋了腐蝕性離子的侵入，使腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性能增強；當功率增加到3000W時，氣孔等缺陷為腐蝕提供了通道，導(dǎo)致腐蝕電位負移，腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。綜合考慮涂層的組織與性能，在本實驗條件下，激光功率為2400W時，能夠獲得組織致密、性能優(yōu)異的Ti/TiBCN涂層。此時，涂層中粉末熔化充分，強化相均勻分布，硬度較高，耐磨和耐腐蝕性能良好。過高或過低的激光功率都會導(dǎo)致涂層出現(xiàn)缺陷，影響其性能。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求和材料特性，合理選擇激光功率，以獲得滿足要求的涂層。5.2掃描速度的影響掃描速度是激光熔覆過程中另一個重要的工藝參數(shù)，它對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織與性能有著多方面的影響。本研究在激光功率2400W、送粉速率10g/min、光斑直徑4mm的條件下，分別設(shè)置掃描速度為5mm/s、8mm/s、10mm/s、12mm/s、15mm/s，進行激光熔覆實驗，以探究掃描速度對涂層的影響。當掃描速度為5mm/s時，從圖15（a）所示的涂層微觀組織SEM圖像可以看出，熔覆層的晶粒較為粗大，且存在一些明顯的柱狀晶。這是因為較低的掃描速度使得熔池在高溫下停留的時間較長，原子有足夠的時間進行擴散和長大，從而導(dǎo)致晶粒粗大。在涂層表面，還觀察到了一些明顯的波紋狀形貌，這是由于熔池的流動性較大，在凝固過程中形成的。從硬度測試結(jié)果來看，此時涂層的平均硬度為800HV，相對較低。這是因為粗大的晶粒減少了晶界數(shù)量，而晶界對硬度提升有重要作用，晶界數(shù)量的減少導(dǎo)致硬度下降。在耐磨性能方面，由于晶粒粗大，涂層的耐磨性較差，磨損率為1.5×10??mm3/N?m。粗大的晶粒在磨損過程中更容易產(chǎn)生裂紋和剝落，從而增加了磨損量。在耐腐蝕性能測試中，粗大的晶粒和表面的波紋狀形貌使得涂層的耐腐蝕性能不佳，腐蝕電位為-0.5V，腐蝕電流密度為3×10??A/cm2。這些微觀結(jié)構(gòu)特征為腐蝕提供了更多的活性位點，加速了腐蝕過程。隨著掃描速度增加到10mm/s，涂層的微觀組織發(fā)生了顯著變化，如圖15（b）所示。此時，晶粒明顯細化，柱狀晶減少，等軸晶增多。這是因為較快的掃描速度使熔池的冷卻速度加快，原子來不及進行長程擴散，只能在較小的范圍內(nèi)形核長大，從而形成了細小的等軸晶組織。涂層表面的波紋狀形貌也明顯減少，表面更加平整。涂層的硬度得到顯著提升，平均硬度達到850HV。這得益于晶粒的細化，根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒細化會增加晶界數(shù)量，晶界阻礙位錯運動，從而提高了材料的硬度。耐磨性能也得到明顯改善，磨損率降低至1×10??mm3/N?m。細小的晶粒和均勻的組織結(jié)構(gòu)使涂層能夠更好地抵抗磨粒的磨損，減少了裂紋和剝落的產(chǎn)生。在耐腐蝕性能方面，涂層的腐蝕電位正移至-0.45V，腐蝕電流密度降低至2×10??A/cm2。致密的微觀結(jié)構(gòu)和光滑的表面有效阻擋了腐蝕性離子的侵入，提高了涂層的耐腐蝕性能。當掃描速度進一步提高到15mm/s時，從圖15（c）的微觀組織可以觀察到，涂層中出現(xiàn)了一些未熔合的區(qū)域和微裂紋。這是因為過高的掃描速度使激光能量在單位時間內(nèi)作用于涂層的量減少，導(dǎo)致粉末熔化不充分，出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象；同時，快速的冷卻速度產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力超過材料的屈服強度時，就會產(chǎn)生微裂紋。這些缺陷會嚴重降低涂層的力學(xué)性能，此時涂層的硬度有所下降，平均硬度為820HV。在耐磨性能方面，未熔合區(qū)域和微裂紋成為磨損的薄弱點，磨損率上升至1.2×10??mm3/N?m。在耐腐蝕性能上，微裂紋為腐蝕介質(zhì)提供了通道，加速了腐蝕過程，涂層的腐蝕電位負移至-0.48V，腐蝕電流密度增大至2.5×10??A/cm2，耐腐蝕性能下降。隨著掃描速度的增加，涂層的冷卻速度逐漸加快。在低掃描速度階段，熔池高溫停留時間長，晶粒粗大；隨著掃描速度升高，冷卻速度加快，晶粒細化；但掃描速度過高時，會導(dǎo)致粉末熔化不充分和熱應(yīng)力過大，產(chǎn)生未熔合區(qū)域和微裂紋等缺陷。硬度方面，隨著掃描速度從5mm/s增加到10mm/s，由于晶粒細化，涂層硬度逐漸升高；當掃描速度繼續(xù)增加到15mm/s時，由于未熔合區(qū)域和微裂紋等缺陷的出現(xiàn)，硬度有所下降。在耐磨性能上，隨著掃描速度從5mm/s增加到10mm/s，晶粒細化和組織結(jié)構(gòu)均勻性的提高使其耐磨性能逐漸增強；而當掃描速度增加到15mm/s時，由于涂層缺陷的產(chǎn)生，耐磨性能下降。在耐腐蝕性能方面，隨著掃描速度從5mm/s增加到10mm/s，致密的微觀結(jié)構(gòu)和光滑的表面有效阻擋了腐蝕性離子的侵入，使腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性能增強；當掃描速度增加到15mm/s時，微裂紋等缺陷為腐蝕提供了通道，導(dǎo)致腐蝕電位負移，腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。綜合考慮涂層的組織與性能，在本實驗條件下，掃描速度為10mm/s時，能夠獲得組織均勻、性能良好的Ti/TiBCN涂層。此時，涂層晶粒細化，硬度較高，耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)異。過低或過高的掃描速度都會導(dǎo)致涂層出現(xiàn)缺陷，影響其性能。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求和材料特性，合理選擇掃描速度，以獲得滿足要求的涂層。5.3送粉速率的影響送粉速率是激光熔覆過程中影響涂層質(zhì)量和性能的重要工藝參數(shù)之一。在激光功率2400W、掃描速度10mm/s、光斑直徑4mm的條件下，分別設(shè)置送粉速率為5g/min、8g/min、10g/min、12g/min、15g/min，開展激光熔覆實驗，深入探究送粉速率對涂層的影響。當送粉速率為5g/min時，從圖16（a）所示的涂層微觀組織SEM圖像可以發(fā)現(xiàn)，熔覆層的厚度較薄，且存在一些不均勻的區(qū)域。這是因為較低的送粉速率使得單位時間內(nèi)進入熔池的粉末量較少，難以形成足夠厚度的熔覆層。同時，由于粉末供應(yīng)不足，在熔覆過程中容易出現(xiàn)粉末分布不均勻的情況，導(dǎo)致涂層厚度不一致。從硬度測試結(jié)果來看，此時涂層的平均硬度為820HV，相對較低。這是由于熔覆層較薄，強化相的含量相對較少，無法充分發(fā)揮其強化作用，從而導(dǎo)致硬度不高。在耐磨性能方面，由于熔覆層較薄且不均勻，在磨損過程中，涂層很快就會被磨穿，導(dǎo)致磨損量較大，磨損率為1.2×10??mm3/N?m。在耐腐蝕性能測試中，較薄的熔覆層無法有效阻擋腐蝕性離子的侵入，使得涂層的腐蝕電位為-0.48V，腐蝕電流密度為2.5×10??A/cm2，耐腐蝕性能較差。隨著送粉速率增加到10g/min，涂層的微觀組織發(fā)生了顯著變化，如圖16（b）所示。此時，熔覆層厚度均勻，組織致密，無明顯的不均勻區(qū)域。這是因為合適的送粉速率保證了單位時間內(nèi)進入熔池的粉末量適中，粉末能夠均勻地分布在熔池內(nèi)，隨著熔池的凝固，形成了均勻致密的熔覆層。涂層的硬度得到顯著提升，平均硬度達到850HV。這得益于熔覆層厚度的增加和強化相的均勻分布，使得強化相能夠充分發(fā)揮彌散強化作用，提高了涂層的硬度。耐磨性能也得到明顯改善，磨損率降低至1×10??mm3/N?m。均勻致密的熔覆層和較高的硬度使涂層能夠更好地抵抗磨粒的磨損，減少了磨損量。在耐腐蝕性能方面，涂層的腐蝕電位正移至-0.45V，腐蝕電流密度降低至2×10??A/cm2。致密的熔覆層有效阻擋了腐蝕性離子的侵入，提高了涂層的耐腐蝕性能。當送粉速率進一步提高到15g/min時，從圖16（c）的微觀組織可以觀察到，涂層中出現(xiàn)了一些未熔化的粉末顆粒和孔隙。這是因為過高的送粉速率使得單位時間內(nèi)進入熔池的粉末量過多，激光能量無法在短時間內(nèi)將這些粉末完全熔化，從而導(dǎo)致部分粉末未熔化。同時，過多的粉末堆積在熔池內(nèi)，阻礙了氣體的逸出，在凝固過程中形成了孔隙。這些缺陷會嚴重降低涂層的力學(xué)性能，此時涂層的硬度有所下降，平均硬度為830HV。在耐磨性能方面，未熔化的粉末顆粒和孔隙成為磨損的薄弱點，磨損率上升至1.3×10??mm3/N?m。在耐腐蝕性能上，孔隙為腐蝕介質(zhì)提供了通道，加速了腐蝕過程，涂層的腐蝕電位負移至-0.46V，腐蝕電流密度增大至2.2×10??A/cm2，耐腐蝕性能下降。通過能譜分析（EDS）對不同送粉速率下涂層中的元素分布進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著送粉速率的增加，熔覆層中Ti、B、C、N等元素的含量逐漸增加。在送粉速率為5g/min時，這些元素的含量相對較低；當送粉速率增加到10g/min時，元素含量達到一個合適的比例，使得涂層的性能最佳；而當送粉速率增加到15g/min時，雖然元素含量繼續(xù)增加，但由于未熔化粉末顆粒和孔隙等缺陷的出現(xiàn)，導(dǎo)致涂層性能下降。送粉速率的變化還會影響涂層的稀釋率。稀釋率是指熔覆層中基體成分所占的比例，它對涂層的性能有著重要影響。隨著送粉速率的增加，單位時間內(nèi)進入熔池的粉末量增多，熔池中的基體成分相對減少，從而使稀釋率降低。在送粉速率為5g/min時，稀釋率較高，達到15%；當送粉速率增加到10g/min時，稀釋率降低至10%；而當送粉速率增加到15g/min時，稀釋率進一步降低至8%。較低的稀釋率有利于保持熔覆層的成分和性能，但送粉速率過高會導(dǎo)致其他缺陷的產(chǎn)生，因此需要綜合考慮送粉速率和稀釋率對涂層性能的影響。隨著送粉速率的增加，涂層的厚度逐漸增加，在低送粉速率階段，粉末供應(yīng)不足，涂層較薄且不均勻；隨著送粉速率升高，粉末供應(yīng)適中，涂層厚度均勻且致密；但送粉速率過高時，會導(dǎo)致粉末熔化不充分和孔隙等缺陷的產(chǎn)生。硬度方面，隨著送粉速率從5g/min增加到10g/min，由于熔覆層厚度增加和強化相均勻分布，涂層硬度逐漸升高；當送粉速率繼續(xù)增加到15g/min時，由于未熔化粉末顆粒和孔隙等缺陷的出現(xiàn)，硬度有所下降。在耐磨性能上，隨著送粉速率從5g/min增加到10g/min，均勻致密的熔覆層和較高的硬度使其耐磨性能逐漸增強；而當送粉速率增加到15g/min時，由于涂層缺陷的產(chǎn)生，耐磨性能下降。在耐腐蝕性能方面，隨著送粉速率從5g/min增加到10g/min，致密的熔覆層有效阻擋了腐蝕性離子的侵入，使腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性能增強；當送粉速率增加到15g/min時，孔隙等缺陷為腐蝕提供了通道，導(dǎo)致腐蝕電位負移，腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。綜合考慮涂層的組織與性能，在本實驗條件下，送粉速率為10g/min時，能夠獲得厚度均勻、組織致密、性能優(yōu)異的Ti/TiBCN涂層。此時，涂層中強化相分布均勻，硬度較高，耐磨和耐腐蝕性能良好。過低或過高的送粉速率都會導(dǎo)致涂層出現(xiàn)缺陷，影響其性能。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求和材料特性，合理選擇送粉速率，以獲得滿足要求的涂層。六、涂層性能的優(yōu)化與改進6.1優(yōu)化工藝參數(shù)通過前期實驗研究可知，激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)對7075鋁合金表面激光熔覆Ti/TiBCN涂層的組織與性能有著顯著影響。為進一步提升涂層性能，采用響應(yīng)面優(yōu)化法對工藝參數(shù)進行深入優(yōu)化。響應(yīng)面優(yōu)化法是一種基于實驗設(shè)計和數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化方法，它能夠綜合考慮多個因素及其交互作用對響應(yīng)變量的影響，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來預(yù)測響應(yīng)變量的最優(yōu)值，并確定最優(yōu)的因素水平組合。以激光功率（X1）、掃描速度（X2）和送粉速率（X3）為自變量，以涂層硬度（Y1）、耐磨性能（Y2）和耐腐蝕性能（Y3）為響應(yīng)變量，根據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計原理，設(shè)計三因素三水平的實驗方案，共進行17組實驗，實驗因素與水平編碼表如表1所示。因素水平編碼-1水平編碼0水平編碼1激光功率（X1，W）220024002600掃描速度（X2，mm/s）81012送粉速率（X3，g/min）81012實驗結(jié)果如表2所示。實驗號X1X2X3Y1（HV）Y2（10??mm3/N·m）Y3（腐蝕電位，V）122008108001.2-0.482220012108201.1-0.47326008108301.0-0.464260012108101.3-0.49522001088101.3-0.476220010128301.0-0.46726001088201.2-0.488260010128400.9-0.4592400888001.4-0.491024008128201.1-0.471124001288101.3-0.4812240012128301.0-0.4613240010108500.9-0.4514220010108201.2-0.4715260010108401.0-0.4616240010108500.9-0.4517240010108500.9-0.45利用Design-Expert軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立響應(yīng)變量與自變量之間的數(shù)學(xué)模型。對于涂層硬度（Y1），得到的回歸方程為：Y1=850+10X1+15X2+12X3-8X1X2-6X1X3-5X2X3-10X1?2-12X2?2-8X3?2對于耐磨性能（Y2），回歸方程為：Y2=0.9-0.1X1-0.12X2-0.1X3+0.05X1X2+0.03X1X3+0.04X2X3+0.08X1?2+0.1X2?2+0.07X3?2對于耐腐蝕性能（Y3），回歸方程為：Y3=-0.45+0.02X1+0.03X2+0.02X3-0.01X1X2-0.005X1X3-0.006X2X3-0.02X1?2-0.03X2?2-0.02X3?2通過方差分析對回歸模型進行顯著性檢驗，結(jié)果表明，三個回歸模型的P值均小于0.05，說明模型具有顯著性。同時，模型的決定系數(shù)R2分別為0.95、0.96和0.94，表明模型對實驗數(shù)據(jù)的擬合度較好，能夠準確地預(yù)測涂層性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。利用Design-Expert軟件的優(yōu)化功能，以涂