引言

鈦元素因綜合性能優(yōu)異，被稱為"第三金屬"，以其為基體的鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕的特點(diǎn)，在深地鉆探等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1-2]。然而，深地鉆探面臨著極其復(fù)雜的環(huán)境，對鈦合金提出了更嚴(yán)苛的要求。鈦合金硬度不高、耐磨性差且高溫易氧化等缺陷,嚴(yán)重限制了其在工程應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。滲碳、滲氮、電鍍、熱噴涂、PVD/CVD等表面改性技術(shù)可以在基體表面制備涂層，提高表面硬度，改善摩擦磨損性能[5-6]，但仍存在諸多問題。例如，熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度弱，組織分布不均勻;PVD/CVD涂層較薄，沉積效率低;電鍍易產(chǎn)生環(huán)境污染;滲碳、滲氮處理溫度高且時間長，工件變形風(fēng)險大[7-8]。

與上述表面處理技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)通過高能激光束的作用實現(xiàn)基體與涂層的冶金結(jié)合，涂層厚且致密，具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，加工過程速度快，熱影響區(qū)小，綠色清潔無污染，可有效克服傳統(tǒng)表面改性技術(shù)的缺陷[9-10]。基于上述優(yōu)勢，激光熔覆技術(shù)已成為表面改性技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向。

根據(jù)復(fù)合強(qiáng)化理論，引入增強(qiáng)相可以通過彌散強(qiáng)化等機(jī)制顯著提高涂層性能。因此，高彈性模量、高硬度的陶瓷顆粒成為激光熔覆理想的增強(qiáng)相材料[11-12]。近年來，已有綜述對陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層進(jìn)行了總結(jié)，但研究多從特定陶瓷增強(qiáng)相展開，且性能評價側(cè)重于耐磨性等單一指標(biāo)，同時對工藝參數(shù)優(yōu)化方法的介紹多為傳統(tǒng)試驗設(shè)計法，缺乏對智能優(yōu)化算法的介紹與對比分析，對工藝-組織-性能之間的內(nèi)在聯(lián)系分析不足。

針對這些問題，本文首先介紹激光熔覆技術(shù)與工藝參數(shù)對涂層性能的影響，重點(diǎn)分析激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，包括傳統(tǒng)試驗設(shè)計法與智能優(yōu)化算法，總結(jié)了不同優(yōu)化方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用對象。其次，探討了陶瓷顆粒增強(qiáng)相的種類與選擇依據(jù)，從耐磨性、耐腐蝕性和高溫抗氧化性三個方面介紹陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的研究進(jìn)展。最后對激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1、激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是指在高能激光束的作用下，將熔覆材料與基體形成冶金結(jié)合，實現(xiàn)表面改性的工藝,其原理如圖1所示,根據(jù)送料方式的不同,分為預(yù)置法與同步法兩大類。預(yù)置法是指在激光熔覆前，將熔覆材料預(yù)置在工件的表面后進(jìn)行激光處理。熔覆材料通常使用粉末或是特定形狀與厚度的薄片。同步法是指熔覆過程激光加工與熔覆材料供給同步進(jìn)行。激光束照射基材表面形成熔池，利用送粉系統(tǒng)將熔覆材料送入熔池中與基體形成牢固的冶金結(jié)合層。根據(jù)熔覆材料不同，分為同步送粉法(包括同軸送粉與側(cè)向送粉)與同步送絲法兩種[13-14]。

1.2 激光熔覆工藝參數(shù)的影響

在激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的過程中，參數(shù)控制不當(dāng)容易出現(xiàn)裂紋、氣孔、剝落、塌陷等缺陷,因此工藝參數(shù)的選擇對于熔覆層的表面質(zhì)量、微觀組織與綜合性能有著極其重要的影響。主要工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、送粉量、搭接率等[15]。

Nabhani等[16]采用線性回歸分析的方法研究工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、送粉量)與涂層幾何形貌的關(guān)系，發(fā)現(xiàn):熔覆層高度主要取決于激光功率與掃描速度，送粉量影響較小，熔寬由掃描速度與送粉量控制，熔深與激光功率和掃描速度成正相關(guān)，送粉量對熔深無顯著影響，潤濕角由激光功率、掃描速度、送粉量的組合參數(shù)控制。Li等研究了激光功率(1000~2200W)對涂層耐腐蝕性的影響:當(dāng)激光功率在1400W時，熔覆層的自腐蝕電位與極化電阻最大，腐蝕電流最低，耐腐蝕性能最好。楊廣峰等[18]研究了激光功率對涂層的耐磨性與耐腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn):當(dāng)功率在一定區(qū)間內(nèi)逐漸增大時，熔池內(nèi)的強(qiáng)烈對流與Marangoni流促進(jìn)顆粒的均勻分布，涂層組織開展方向更加規(guī)整且組織數(shù)量與密度降低，但功率過高時可能導(dǎo)致熔池劇烈波動，出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚與偏析，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，涂層的耐磨性和耐腐蝕性先提高后降低。Xu等[19]在TC4表面制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%TiC+10%Ni60復(fù)合涂層,研究了掃描速度對涂層微觀結(jié)構(gòu)與耐磨性的影響(圖2),結(jié)果表明:熔覆體積隨著掃描速度的增加而減小，耐磨性逐漸降低，在低的掃描速度下熱輸入增大，延長增強(qiáng)相的形核與生長時間，形成發(fā)達(dá)的枝晶，涂層顯微組織為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與被網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包覆的TiC顆粒，熱輸入降低冷卻速率增加，增強(qiáng)相形核率增大但生長受到抑制，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钆c細(xì)小顆粒，隨著掃描速度的增加逐漸出現(xiàn)棒狀與顆粒狀TiC。

由于激光熔覆過程中各工藝參數(shù)并非單一獨(dú)立作用，而是由多系統(tǒng)耦合交互的復(fù)雜過程，因此，對工藝參數(shù)的研究從傳統(tǒng)的單因素影響逐漸深化為多因素耦合對涂層組織及性能的協(xié)同調(diào)控機(jī)制。然而，由于多參數(shù)耦合的情況復(fù)雜，仍需要通過大量的試驗進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，如何高效準(zhǔn)確地得到綜合性能最優(yōu)的工藝參數(shù)組合成為研究的重點(diǎn)。

1.3 激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化方法

通過經(jīng)驗積累或單因素試驗得到的激光熔覆工藝參數(shù)往往難以實現(xiàn)多性能指標(biāo)的協(xié)同調(diào)控優(yōu)化。因此，建立系統(tǒng)化的激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化方法，實現(xiàn)從經(jīng)驗試錯到智能決策的轉(zhuǎn)變，成為制備高性能涂層的關(guān)鍵路徑。目前，根據(jù)模型構(gòu)建方式不同，激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化方法分為傳統(tǒng)試驗設(shè)計法與智能優(yōu)化算法，不同方法的對比如表1所示。

表1 激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化方法

1.3.1 傳統(tǒng)試驗設(shè)計法

傳統(tǒng)試驗設(shè)計法是工藝參數(shù)優(yōu)化中最廣泛、最基礎(chǔ)的優(yōu)化方法。該方法的原理是基于先驗假設(shè)的統(tǒng)計模型，通過假定工藝參數(shù)與響應(yīng)指標(biāo)之間存在某種可能的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計結(jié)構(gòu)化試驗，對試驗結(jié)果采用統(tǒng)計學(xué)的方法擬合出模型參數(shù)，從而實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。常見的試驗方法有正交試驗法、田口法和響應(yīng)面法(RSM)。

正交試驗法是通過設(shè)計正交表，選取具有代表性的試驗點(diǎn)，進(jìn)行多因素多水平的試驗，在保證結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上減少試驗次數(shù)，通過對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析與方差分析，確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。陳濤等[20]在TC4基體上熔覆TiC涂層，通過正交試驗研究了激光功率、掃描速度與TiC粉末直徑對TiC涂層表面形貌和顯微硬度的影響，將優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行組織及耐磨性分析，試驗表明，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)得到的TiC涂層組織致密，TiC晶粒細(xì)化且分布均勻，與基體相比耐磨性提升37.47%，明顯優(yōu)于其他涂層。正交試驗法的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀得到各因素的影響趨勢，尤其適用于多因素多水平的初步工藝選擇,但正交試驗法主要側(cè)重單因素對試驗結(jié)果的獨(dú)立主效應(yīng)，忽略了各因素之間的關(guān)系。同時優(yōu)化參數(shù)僅在正交表中篩選，無法確定是否為連續(xù)空間內(nèi)全局最優(yōu)解，且線性模型擬合精度有限，難以解釋激光熔覆各參數(shù)對涂層性能的影響。

田口法與正交試驗法最大的區(qū)別是采用信噪比(式1)作為評價指標(biāo),通過內(nèi)表(可控參數(shù))與外表(不可控參數(shù))的交叉設(shè)計,降低隨機(jī)因素的影響,將信噪比最大作為優(yōu)化目標(biāo),實現(xiàn)工藝參數(shù)的穩(wěn)健性設(shè)計。Farayibi等[21]在TC4表面制備WC-W2C復(fù)合涂層，將激光功率、掃描速度、送粉量、WC/W2C粉末比例作為內(nèi)表，多次試驗處理噪聲，得到最優(yōu)參數(shù)組合。試驗結(jié)果表明，激光功率1800 W、掃描速度300mm/min、送粉量30g/min、增強(qiáng)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)76%±1%的工藝參數(shù)具有最大信噪比(37.67),同實際數(shù)據(jù)建立的多元線性回歸模型相比預(yù)測精度高。田口法的優(yōu)點(diǎn)是保證工藝參數(shù)的穩(wěn)健性,激光熔覆過程復(fù)雜且對噪聲變化敏感,可以提高工藝參數(shù)的可靠性。但田口法的優(yōu)化結(jié)果依然僅限于離散空間,同時對于噪聲因素的選取極大依賴個人經(jīng)驗,且處理相互沖突的目標(biāo)時優(yōu)化效果差。

式中:  S/N信噪比;  MSD均方差。

RSM是一種將數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的設(shè)計方法,通過建立響應(yīng)曲面來分析連續(xù)參數(shù)空間中各影響因素與各響應(yīng)指標(biāo)之間的復(fù)雜關(guān)系  [22]。分析流程通常包括試驗設(shè)計(CCD/BBD)、模型擬合評估與最優(yōu)求解驗證三個步驟。相比于正交試驗法與田口法只能在離散水平選擇參數(shù)的不足, RSM可以通過二次模型進(jìn)行局部逼近,從而獲得全局最優(yōu)解,更適合激光熔覆過程中的工藝優(yōu)化問題。Huang等  [23]采用 CCD方法對激光熔覆  B 4 C增強(qiáng)Ti64涂層進(jìn)行工藝優(yōu)化,選取激光功率、掃描速度、送粉量為影響因素,以寬高比(AR)、潤濕角(CA)、稀釋率(DR)及顯微硬度(HV)為響應(yīng)指標(biāo),建立二階回歸模型。模型擬合結(jié)果  p <  0.0001, R 2 >  0.96,變異系數(shù)  <  4%,信噪比  >  16,擬合效果良好;將優(yōu)化后工藝參數(shù)與驗證試驗分析對比,預(yù)測誤差在  8%以內(nèi)(圖3),證明模型可靠,優(yōu)化后  B 4 C ?  Ti64復(fù)合涂層硬度較基體提高  67.6%,磨損率下降23.1%。 Chen等  [24]采用 BBD方法建立協(xié)同優(yōu)化模型,分析激光功率、掃描速度及搭接率對涂層厚度、寬度及硬度的影響。驗證試驗表明,涂層厚度、寬度及硬度誤差為 6.04%、0.98%及 3.20%,優(yōu)化后涂層硬度為 1064.87 HV 0.2,摩擦系數(shù)降低 56.97%,耐磨性較基體顯著提高。雖然RSM可以較好地解決激光熔覆中的非線性工藝優(yōu)化,但由于響應(yīng)面試驗次數(shù)隨影響因素增加呈指數(shù)增長,在處理高維參數(shù)空間時試驗成本顯著上升,同時試驗的可靠性依賴模型擬合精度,當(dāng)實際過程過于復(fù)雜時可能出現(xiàn)模型失擬等問題。

1.3.2 智能優(yōu)化算法

隨著激光熔覆工藝研究的不斷深化,傳統(tǒng)試驗設(shè)計法在處理高維參數(shù)空間時普遍存在試驗成本急劇上升、參數(shù)交互影響難以有效分析和無法處理復(fù)雜非線性映射等問題。為彌補(bǔ)上述不足，研究者引入智能優(yōu)化搜索的方法。其核心思想是模擬生物群體進(jìn)化與社會行為機(jī)制，不依賴預(yù)設(shè)函數(shù)形式,而是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法實現(xiàn)全局搜索尋優(yōu)。

常見的智能優(yōu)化搜索方法有遺傳算法  (GA) [25]、粒子群算法  (PSO) [26]、蟻群算法  (ACO) [27]、模擬退火  (SA) [28]等。崔寶磊等  [29]以裂紋數(shù)量為響應(yīng)指標(biāo),采用響應(yīng)面與遺傳算法對工藝參數(shù)進(jìn)行對比優(yōu)化分析,結(jié)果表明,在兩種優(yōu)化方法得到的工藝參數(shù)下,采用遺傳算法優(yōu)化制備的涂層無裂紋,采用響應(yīng)面優(yōu)化制備的涂層有裂紋產(chǎn)生。 Shu等  [30]在 RSM優(yōu)化基礎(chǔ)上采用 NSGA- II進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,優(yōu)化后涂層硬度提升 10.1%,摩擦系數(shù)降低 27.6%,顯著優(yōu)于初始最優(yōu)樣本。

盡管智能優(yōu)化算法可以有效處理非線性耦合關(guān)系,但此類算法對慣性權(quán)重和加速常數(shù)的設(shè)置敏感性高,十分依賴代理模型的精度,而構(gòu)建高質(zhì)量的代理模型受限于試驗樣本與空間分布等因素。

近年來,隨著人工智能的發(fā)展,將機(jī)器學(xué)習(xí)與智能優(yōu)化搜索相結(jié)合,利用機(jī)器學(xué)習(xí)建立高精度模型預(yù)測工藝參數(shù)與涂層性能的復(fù)雜映射關(guān)系,成為解決問題的新方法。基本思想是利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自主學(xué)習(xí)探索工藝參數(shù)與涂層性能的關(guān)聯(lián)性，從而構(gòu)建高性能模型，降低試驗樣本與空間分布的影響，在此基礎(chǔ)上與智能優(yōu)化搜索相結(jié)合，完成全局高效尋優(yōu)的目標(biāo)[31]。其基本流程是通過試驗獲得樣本數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)建立代理模型，在此基礎(chǔ)上使用智能優(yōu)化搜索對模型進(jìn)行迭代分析，最后將獲得的工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗驗證得到最優(yōu)組合。

常見的機(jī)器學(xué)習(xí)根據(jù)模型架構(gòu)與原理包括線性模型(LR、LDA、Lasso)、懶惰學(xué)習(xí)(KNN)、樹模型或規(guī)則模型(DT、RF、XGBoost)、支持向量機(jī)(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN、BPNN、CNN)與集成學(xué)習(xí)等。Chen等[32]選用SLM方法制備TiC涂層,以激光功率、掃描速度、鋪粉厚度、光斑尺寸及搭接率為自變量，研究其對涂層形貌及顯微硬度的影響，基于S/N及ANOVA建立了SVM模型，結(jié)果表明，模型的相關(guān)系數(shù)(CC)與擬合優(yōu)度(R2)均大于0.9。泰爾不等系數(shù)(TIC)均小于0.025(表2)。預(yù)測值與試驗值對比見圖4,驗證了在小樣本條件下SVM可以得到較高的預(yù)測精度。Deng等[33]選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%TiCN+20%SiO2復(fù)合粉末在TC4表面制備Ti(C,N)陶瓷涂層,將反向傳播(BPNN)與量子行為粒子群優(yōu)化算法(QPSO)相結(jié)合構(gòu)建BPNN-QPSO預(yù)測模型,研究激光熔覆工藝參數(shù)與涂層顯微硬度的關(guān)系。模型預(yù)測結(jié)果與實際值最大相對誤差為9.12%,同BPNN模型相比,預(yù)測精度顯著提升。

表2 基于SVM的預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)[32]

綜上所述，激光熔覆技術(shù)作為鈦合金表面改性的重要方法，工藝參數(shù)的選擇直接影響涂層的綜合性能,傳統(tǒng)設(shè)計方法在高維度多目標(biāo)處理方面存在局限性。人工智能+智能優(yōu)化算法為實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化提供了新手段，但研究仍處在探索階段，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化缺乏完整的工藝-組織-性能理論模型，涂層組織演化與性能調(diào)控的機(jī)制不明。如何建立系統(tǒng)化的工藝參數(shù)模型，闡明工藝參數(shù)對性能的調(diào)控機(jī)制，降低試驗成本，仍是需要突破的關(guān)鍵問題。

2、陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的研究現(xiàn)狀

2.1 陶瓷顆粒增強(qiáng)相的選擇

陶瓷顆粒的選擇對涂層的性能有著決定性的影響，一般情況下，需要考慮涂層的使用需要、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的高溫穩(wěn)定性。常見的陶瓷顆粒根據(jù)化學(xué)組成不同分為碳化物陶瓷顆粒、氧化物陶瓷顆粒、硅化物陶瓷顆粒、氮化物陶瓷顆粒和硼化物陶瓷顆粒。碳化物陶瓷顆粒(TiC、WC、SiC等)具有較高的熔點(diǎn)與硬度，部分增強(qiáng)相(如TiC)與鈦基體的相容性極佳，是提高涂層耐磨性最常用、最普遍的選擇[34-35]。氧化物陶瓷顆粒(Al2O3、Y2O3、ZrO2等)具有良好的高溫抗氧化性與耐腐蝕性，但與基體的結(jié)合強(qiáng)度差，易出現(xiàn)剝落開裂等問題，通常作為次要相用于細(xì)化晶粒。硅化物陶瓷顆粒(MoSi2、Ti5Si3等)在高溫條件下生成性能優(yōu)異的SiO2抗氧化膜，但在室溫下脆性大，且熔覆過程會與基體發(fā)生反應(yīng)，對工藝參數(shù)的要求較高。氮化物陶瓷顆粒(TiN、BN、AlN等)與基體相容性好，其中BN有著良好的高溫抗氧化性與耐磨性。硼化物陶瓷顆粒(TiB、TiB2、ZrB2等)則具有良好的耐磨性與抗高溫蠕變性能。

陶瓷顆粒的引入方式同樣是影響涂層質(zhì)量的關(guān)鍵，根據(jù)制備方式的不同分為外加法與原位生成法兩種。外加法是將陶瓷顆粒直接添加到熔覆層中，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，但可能存在陶瓷顆粒分布不均的問題。原位生成法是在熔覆過程中利用化學(xué)反應(yīng)直接生成陶瓷顆粒相，相較于外加法可以獲得分布均勻、結(jié)合強(qiáng)度好的涂層，但對工藝參數(shù)選取與反應(yīng)體系設(shè)計的要求較高。

2.2 陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基功能涂層

根據(jù)實際使用需要，激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層主要分為耐磨涂層、耐腐蝕涂層與高溫抗氧化涂層三類。

2.2.1 耐磨涂層

耐磨涂層是目前激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層最主要的研究與應(yīng)用方向之一。摩擦工況下鈦合金表面易發(fā)生黏著磨損與磨粒磨損,通過引入高硬度的陶瓷顆粒增強(qiáng)相,可以顯著提高涂層硬度，抑制磨粒磨損，同時通過細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等機(jī)制提高涂層的耐磨性，通過調(diào)控合適的工藝參數(shù)，可以促進(jìn)組織細(xì)化，形成細(xì)小彌散的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高涂層的耐磨性能。

Chen等[24]在激光功率853.09 W、掃描速度8.18mm/s的優(yōu)化工藝下,在TC4表面制備Ti(C，N)復(fù)合涂層,研究發(fā)現(xiàn):在該工藝參數(shù)下熱輸入適中，熔池溫度場穩(wěn)定，冷卻速率適中，有利于抑制增強(qiáng)相的粗大生長，涂層主要由細(xì)小的TiC  0.3  N 0.7 等軸晶粒組成，磨損體積從5.35×10?μm3降低到4.44×10?μm3,耐磨性能顯著提升,磨損類型為氧化磨損。Li等[36]系統(tǒng)研究TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%~35%)對耐磨性的影響，圖5為不同TiB2含量的TMC涂層磨損機(jī)制:低含量下僅生成納米共晶TiBw,磨損類型以磨粒磨損為主,隨TiB2含量增加,反應(yīng)生成的TiB形核增大起到骨架承載作用;當(dāng)TiB2進(jìn)一步增加，未熔TiB2出現(xiàn)在熔覆層中，在磨損時成為硬質(zhì)突起，有效阻擋磨粒切入，從而減輕磨損。Zhao等  [37]制備的TiO2涂層硬度達(dá)到1582HV,磨損率為基體的27%，TiO2主要通過細(xì)晶強(qiáng)化與第二相強(qiáng)化機(jī)制提升耐磨性。近年來，制備多相復(fù)合涂層獲得更優(yōu)異性能成為研究熱點(diǎn)。Dey等[38]在TC4表面制備Al2O3-TiB2-TiN-BN復(fù)合涂層，并對強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行分析:Al2O3、TiB2、TiN陶瓷顆粒分布在涂層中對晶界產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，同時作為異質(zhì)形核點(diǎn)起到晶粒細(xì)化與第二相強(qiáng)化的作用;Ti和Al反應(yīng)形成Ti3Al、TiAl等金屬間化合物，N、B固溶于Ti晶格中，通過固溶強(qiáng)化增強(qiáng)涂層性能;未熔的BN具有良好的潤滑性，摩擦工況下形成的潤滑膜有效降低摩擦系數(shù)。Murmu等[39]在TC4表面原位合成的TiC/TiB2/TiO2/ZrB2多相復(fù)合涂層硬度達(dá)到1582.4 HV,摩擦系數(shù)較基體降低66.7%,磨損深度減少87.5%。Ke等[40]在TA2表面制備WS2/TiC/Ti多相復(fù)合涂層，500℃環(huán)境下摩擦系數(shù)為0.339，磨損率降低53.2%，涂層在高溫情況下仍保持優(yōu)異的耐磨性。

表3 不同陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的相組成、強(qiáng)化機(jī)制及耐磨性能

注:SSS—固溶強(qiáng)化;DPS—彌散強(qiáng)化;LTS—載荷傳遞強(qiáng)化;SL—自潤滑;GRS—細(xì)晶強(qiáng)化。

多相復(fù)合涂層通過選用潤滑相或多種硬質(zhì)相實現(xiàn)了硬度與磨損率的良好平衡,綜合性能普遍優(yōu)于單一涂層體系。

2.2.2 耐腐蝕涂層

鈦合金在空氣中或弱腐蝕環(huán)境中表面生成的TiO2鈍化膜可以較好地防止基體與外界腐蝕介質(zhì)的接觸，但在地質(zhì)鉆探井下高溫高壓強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中，TiO2鈍化膜易因磨損或點(diǎn)蝕而被頻繁破壞，且難以自修復(fù)，最終加速基體的腐蝕失效[48]。采用陶瓷顆粒制備鈦基復(fù)合涂層可以有效提高涂層的耐腐蝕性:陶瓷顆粒作為硬質(zhì)相可以提高涂層的硬度及耐磨性,降低因摩擦導(dǎo)致的基體暴露;陶瓷顆粒在凝固過程中作為異質(zhì)形核核心提供更多形核位點(diǎn)，起到細(xì)化晶粒、提高涂層致密度、抑制腐蝕通道形成的作用;增強(qiáng)相在腐蝕介質(zhì)中起到微陰極的作用，加速陽極區(qū)的鈍化反應(yīng)，有效抑制點(diǎn)蝕的萌生;在腐蝕過程中，涂層優(yōu)先鈍化，從而對基體起到保護(hù)作用。

劉文榮等[49]采用激光直接沉積技術(shù)(LDED)，在激光功率2100W、掃描速度20mm/s、送粉量23.3g/min的工藝參數(shù)下制備Nano-TiN涂層,并在3.5%NaCl溶液中浸泡10d,研究涂層的耐腐蝕性，結(jié)果表明:在該工藝參數(shù)下熔池溫度較高，完全熔化的納米TiN在Marangoni對流作用下彌散分布，二次析出的Ti3N作為形核位點(diǎn)促使晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶,腐蝕電流密度較基體降低94.8%,極化電阻為基體的13.7倍;Nano-TiN中析出的TiN在涂層中均勻分布，在腐蝕介質(zhì)中作為陰極形成更穩(wěn)定的鈍化膜,同時納米TiN的加入可顯著細(xì)化晶粒(圖6),細(xì)晶組織增加有利于在晶界形成致密的鈍化膜，進(jìn)一步提高涂層的耐腐蝕性。Fan等[50]分別制備TiC與WC增強(qiáng)鈦基涂層，在相同工藝參數(shù)下對比分析涂層的耐腐蝕性，試驗表明:WC與TiC涂層的耐腐蝕性均強(qiáng)于基體，相同含量下TiC涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于WC涂層，隨著含量的上升差異更加明顯，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時TiC的腐蝕電流密度為WC涂層的14.3%，腐蝕速率僅為WC的19.6%;WC對于基體的耐腐蝕性提升效果有限,在選定的工藝參數(shù)下，TiC在熔池中均勻分布，形狀為花瓣或顆粒狀，涂層與基體的結(jié)合情況良好，由于WC密度較大，在相同工藝參數(shù)下存在較多未熔融顆粒沉積在涂層中下部，隨著比例增加，WC未熔顆粒與基體間隙成為腐蝕通道，出現(xiàn)局部點(diǎn)蝕與涂層剝離，降低涂層的耐腐蝕性。Zhang等選用SiC陶瓷顆粒制備SiC/TC4復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下SiC分解生成TiC與TiSi3,在腐蝕過程中增強(qiáng)相作為微陰極加速陽極溶解與[TiCl6]2?絡(luò)合物生成，促進(jìn)均勻致密的TiO2形成。Li等[52]制備不同Nb含量的鈦基復(fù)合涂層，研究高Cl環(huán)境下涂層的磨損-腐蝕耦合服役性能，結(jié)果表明:涂層中Laves相(NbCr2)與基體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效提高了涂層的硬度;涂層在摩擦過程中磨屑氧化與界面接觸形成致密氧化物潤滑層，在降低摩擦系數(shù)的同時阻止腐蝕介質(zhì)侵入，耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷涂層，有效抑制磨損-腐蝕協(xié)同損傷。

表4 陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的工藝參數(shù)、相組成及耐腐蝕性能

涂層的耐腐蝕性并非由單一因素決定，而是受增強(qiáng)相種類與工藝參數(shù)的共同影響。在極端服役環(huán)境下,應(yīng)選用界面結(jié)合性能良好的陶瓷顆粒，同時調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，抑制未熔顆粒沉積，減少氣孔、裂紋及團(tuán)聚等缺陷，從而提高涂層的耐腐蝕性。

2.2.3 高溫抗氧化涂層

鈦合金表面形成的氧化膜可以有效隔絕氧氣，因此在常溫環(huán)境中具有良好的抗氧化性。但在井下高溫環(huán)境中，氧化動力學(xué)規(guī)律發(fā)生轉(zhuǎn)變，氧化膜致密性下降，由單層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏惶娼Y(jié)構(gòu)，無法阻擋氧氣向內(nèi)擴(kuò)散，使得高溫抗氧化性顯著降低。引入陶瓷顆粒增強(qiáng)相可以通過釘扎晶界、細(xì)化晶粒等方式促進(jìn)氧化膜的形成，同時生成的氧化物可以填充孔隙，抑制多層交替結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而提高鈦合金在高溫環(huán)境下的抗氧化性能。常見的高溫抗氧化陶瓷顆粒有碳化物、硼化物與硅化物。Lv等[56]通過在TC4表面制備TiNi涂層，研究TaC含量對涂層高溫抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)TaC在高溫氧化過程中形成Ta2O5,有效阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散,隨著TaC含量增加高溫抗氧化性逐漸增強(qiáng),質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%TaC增重 1.69 mg/cm2，較基體減少74.8%(圖7)。Li等[57]研究SiC含量對涂層抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時氧化增重最低(0.191mg/cm2),適當(dāng)比例的SiC可以促進(jìn)Al2O3的形成,但過量SiC導(dǎo)致TiC生成增加，從而降低涂層的高溫抗氧化性。Yin等在TC4表面制備TiC/TiBx+yLaB6涂層，研究表明:LaB6在涂層中分解為La2O3，并分布在晶界附近，阻止氧的進(jìn)一步擴(kuò)散，同時抑制TiB2等相粗化，減少裂紋產(chǎn)生;氧化動力學(xué)曲線從直線轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€;質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%LaB6涂層增重0.87 mg/cm2,高溫抗氧化性能最佳。Feng等在TC4表面原位合成(Ti3Al+TiB)/Ti復(fù)合涂層，研究涂層的高溫磨損行為發(fā)現(xiàn):高溫環(huán)境下涂層增重僅為基體的20%;涂層表面形成致密的TiO2+Al2O3混合氧化層，且生成的Al2O3集中在界面附近;高溫環(huán)境下涂層的磨損表面犁溝更淺，耐磨性能較基體更優(yōu)，原位合成的Ti3Al和TiB通過優(yōu)化氧化層結(jié)構(gòu)與促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜形成，協(xié)同提高涂層的高溫抗氧化性與耐磨性能。

表5 陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的工藝參數(shù)、相組成及高溫抗氧化性能

綜上所述，陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層在耐磨損、耐腐蝕與高溫抗氧化三個方面均展現(xiàn)出較好的性能，然而目前研究多將性能評價停留在室溫磨損、單獨(dú)腐蝕或靜態(tài)高溫氧化等單一因素，對地質(zhì)鉆探"高溫-磨損-腐蝕"多因素耦合環(huán)境下的研究極少，對氧化、磨損與腐蝕協(xié)同作用下涂層失效的微觀機(jī)制仍不明晰，尚未形成面向耐磨-耐蝕-抗氧化多目標(biāo)協(xié)同的設(shè)計準(zhǔn)則。

3、總結(jié)與展望

與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光熔覆涂層技術(shù)是解決鈦合金鉆桿在井下磨損、腐蝕、高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定問題的有效途徑。但目前實際工程應(yīng)用較少，因此，對鈦合金表面激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層的研究可從以下方面開展。

(1)激光熔覆材料體系的智能化設(shè)計。當(dāng)前陶瓷顆粒增強(qiáng)相的選擇多依賴于經(jīng)驗，各種元素對涂層性能影響與強(qiáng)化機(jī)理尚未明確，隨著人工智能、智能優(yōu)化算法與大數(shù)據(jù)平臺的發(fā)展,未來應(yīng)對激光熔覆涂層進(jìn)行綜合分析，建立面向地質(zhì)鉆探的鈦合金功能涂層的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，從服役環(huán)境出發(fā)，確定涂層所需的性能指標(biāo)，通過選取合適的工藝參數(shù)與粉末，調(diào)控微觀組織性能，完成服役環(huán)境-工藝材料-組織-性能的閉環(huán),實現(xiàn)從經(jīng)驗試錯到數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化設(shè)計。

(2)激光熔覆輔助工藝的研發(fā)。激光熔覆層質(zhì)量與涂層的性能有密切關(guān)系,目前激光熔覆技術(shù)仍存在氣孔、裂紋、應(yīng)力分布不均等缺陷，國內(nèi)外學(xué)者采用磁場、電場、超聲振動等輔助技術(shù)來提高熔覆層質(zhì)量。磁場輔助工藝能夠有效細(xì)化晶粒，降低殘余應(yīng)力，但成本較高，且對材料導(dǎo)磁性有較高要求;電場輔助工藝設(shè)備簡單，適用于薄壁件處理，但存在弧光放電現(xiàn)象且能耗較高;超聲振動可促進(jìn)增強(qiáng)相均勻分布，然而難以適用于高速運(yùn)動或復(fù)雜表面工況。未來研究應(yīng)聚焦于開發(fā)復(fù)合輔助工藝,研發(fā)高效可行、成本可控的輔助方法，實現(xiàn)高效穩(wěn)定低成本工業(yè)應(yīng)用。

(3)復(fù)雜環(huán)境涂層失效機(jī)制研究。目前對于涂層的性能評價多局限于某一單一條件(耐磨、耐腐蝕、高溫抗氧化),對于地質(zhì)鉆探過程中高溫、磨損、腐蝕共存的復(fù)雜環(huán)境下涂層的失效機(jī)理研究不足。未來應(yīng)系統(tǒng)研究"高溫-磨損-腐蝕"協(xié)同作用下的涂層損傷規(guī)律，構(gòu)建多因素耦合環(huán)境下的試驗方法與評價體系，揭示各因素之間的影響與主控機(jī)制，探索面向地質(zhì)鉆探的涂層性能預(yù)測模型，為鈦合金鉆具在復(fù)雜井下的延壽設(shè)計與可靠性評估提供理論依據(jù)。

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（注，原文標(biāo)題：鈦合金表面激光熔覆陶瓷顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層研究進(jìn)展與展望_王宇航）

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