钛及钛合金表面涂层制备方法研究现状

王永东; 常萌阳; 王金宇; 郑永杰; 任远达

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2022.06.05

专题讨论 | 浏览量 : 0 下载量: 585 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

钛及钛合金表面涂层制备方法研究现状
Research Status of Preparation Methods for Titanium and Titanium Alloy Surface Coatings
2022年52卷第6期页码：46-54
收稿：2022-04-20，

纸质出版：2022-06-30
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.06.05
稿件说明：

移动端阅览

王永东，常萌阳，王金宇，等.钛及钛合金表面涂层制备方法研究现状［J］.电焊机，2022，52（6）：46-54. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.06.05.

WANG Yongdong, CHANG Mengyang, WANG Jinyu, et al.Research Status of Preparation Methods for Titanium and Titanium Alloy Surface Coatings[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(6): 46-54. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.06.05.

摘要

随着钛合金应用范围不断扩大，对其性能也提出了更高的要求，钛合金的表面改性成为研究热点。综述了激光熔覆、微弧氧化和喷涂技术在钛合金表面改性中的应用，分析了各种方法的研究进展、影响涂层质量和性能的因素，并对其存在的问题和发展趋势进行了总结。激光熔覆技术在钛合金涂层的应用，主要采用自生制备陶瓷涂层，该方法增强相与基体结合界面干净，结合力较大，不容易脱落；钛合金微弧氧化较为热门的为激光复合微弧氧化技术，但其应用还存在氧化膜的膜基结合和膜层多孔问题，影响基材的耐蚀性；冷喷涂技术在钛合金表面制备喷涂涂层具备制备温度低、涂层沉积率较高、孔隙率低等特点，对冷喷涂钛合金涂层调控手段主要在喷涂参数、粉末状态、基体状态和喷嘴等方面，未来的研究趋势是冷喷涂技术与其他技术如激光熔覆、搅拌摩擦焊等的融合。

Abstract

The application range of titanium alloys has been expanding

and higher requirements have been put forward for their properties. Therefore

the surface modification of titanium alloys has become a research hotspot. This paper reviews the application of laser cladding

micro-arc oxidation and spraying technology in the surface modification of titanium alloys

analyzes the research progress of various methods

factors affecting the quality and performance of coatings

and their existing problems and development trends are summed up. The application of laser cladding technology in titanium alloy coating mainly adopts autogenous preparation of ceramic coating. This method has a clean bonding interface between the reinforced phase and the substrate

and the bonding force is large

and it is not easy to fall off; the most popular micro-arc oxidation of titanium alloy is laser composite Micro-arc oxidation technology

but the application of micro-arc oxidation technology on the surface of titanium alloys also has problems of film-base bonding and film porosity of the oxide film

which affect the corrosion resistance of the substrate; cold spraying technology has the characteristics of low preparation temperature

high coating deposition rate and low porosity. The control means of cold spraying titanium alloy coating are mainly in the aspects of spraying parameters

powder state

matrix state and nozzle. The future research trend is the integration of cold spraying technology and other technologies such as laser cladding and friction stir welding.

关键词

Keywords

references

王欣，罗学昆，宇波，等 . 航空航天用钛合金表面工程技术研究进展［J］. 航空制造技术， 2022 ， 65 （ 04 ）： 14 - 24 .

Wang Xin ， Luo Xuekun ， Yu Bo ， et al . Research Progress on Surface Engineering Technology of Aerospace Titanium Alloys ［J］. Aeronautical manufacturing technology ， 2022 ， 65 （ 04 ）： 14 - 24 .

李兴宇，李芳，牟刚，等 . 钛及钛合金的焊接［J］. 电焊机， 2017 ， 47 （ 04 ）： 67 - 70，107 .

LI Xingyu ， LI Fang ， MOU Gang ， et al . Welding of titanium and titanium alloys ［J］. Electric Welding Machine ， 2017 ， 47 （ 04 ）： 67 - 70，107 .

李芳婷，王恺婷，李春波，等 . 钛及钛合金表面增强技术的研究进展［J］. 世界有色金属， 2021 （ 16 ）： 109 - 110 .

Li Fangting ， Wang Kaiting ， Li Chunbo ， et al . Research Progress of Surface Strengthening Technology of Titanium and Titanium Alloys ［J］. World Nonferrous Metals ， 2021 （ 16 ）： 109 - 110 .

陈钢 . 钛及钛合金新工艺、新技术、新用途介绍［J］. 中国金属通报， 2018 （ 01 ）： 160 - 161 .

Chen Gang . Introduction of New Processes， New Technologies and New Uses of Titanium and Titanium Alloys ［J］. China Metals Bulletin ， 2018 （ 01 ）： 160 - 161 .

高飞 . 钛及钛合金材料的焊接技术［J］. 石油化工建设， 2006 （ 04 ）： 38 - 42 .

Gao Fei . Welding Technology for Titanium and Titanium Alloy Materials ［J］. Petroleum and Chemical Construction ， 2006 （ 04 ）： 38 - 42 .

姜海涛，邵忠财，魏守强 . 钛合金表面处理技术的研究进展［J］. 电镀与精饰， 2010 ， 32 （ 10 ）： 15 - 20 .

Jiang Haitao ， Shao Zhongcai ， Wei Shouqiang . Research Progress of Surface Treatment Techniques for Titanium Alloys ［J］. Plating and Finishing ， 2010 ， 32 （ 10 ）： 15 - 20 .

王迪，林松盛，刘灵云，等 . 表面处理技术对钛合金疲劳性能影响的研究进展［J］. 真空， 2019 ， 56 （ 06 ）： 36 - 42 .

Wang Di ， Lin Songsheng ， Liu Lingyun ， et al . Research Progress of Surface Treatment Technology on Fatigue Properties of Titanium Alloy ［J］. Vacuum ， 2019 ， 56 （ 06 ）： 36 - 42 .

郭小汝，陈百明，贾金龙，等 . 处理方法对钛合金摩擦磨损性能影响的研究进展［J］. 粉末冶金工业， 2021 ， 31 （ 02 ）： 97 - 103 .

Guo Xiaoru ， Chen Baiming ， Jia Jinlong ， et al . Research Progress on Friction and Wear Properties of Titanium Alloys by Treatment Methods ［J］. Powder Metallurgy Industry ， 2021 ， 31 （ 02 ）： 97 - 103 .

Alexander Donchev ， Michael Schütze ， Andreas Kolit-sch . Economic Surface Treatment of Ti-Alloys to Improve their Resistance against Environmental High Te-mperature Attack ［J］. Key Engineering Materials ， 2013 ， 2362 ： 551 .

林基辉，温亚辉，范文博，等 . 钛合金表面激光改性技术研究进展［J］. 金属热处理， 2022 ， 47 （ 3 ）： 215 - 221 .

Lin Jihui ， Wen Yahui ， Fan Wenbo ， et al . Research Progress of Laser Modification Technology for Titanium Alloy Surface ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2022 ， 47 （ 3 ）： 215 - 221 .

路世盛，周健松，王凌倩，等 . 钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究进展［J］. 表面技术， 2019 ， 48 （ 11 ）： 82 - 91 .

Lu Shisheng ， Zhou Jiansong ， Wang Lingqian ， et al . Development of Laser Cladding Ceramic Coatings on Titanium Alloy Surface ［J］. Surface Technology ， 2019 ， 48 （ 11 ）： 82 - 91 .

武万良，李学伟 . 钛合金激光熔覆技术研究进展［J］. 稀有金属材料与工程， 2006 （ 06 ）： 850 - 854 .

Wu Wanliang ， Li Xuewei . Research Progresses on Laser Cladding of Titanium Alloys ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2006 （ 06 ）： 850 - 854 .

王超，赵铁栓，韩高阳，等 . 激光熔敷技术应用于新品制造的研究［J］. 建设机械技术与管理， 2017 ， 30 （ 08 ）： 79 - 82 .

Wang Chao ， Zhao Tiezhu ， Gaoyang Han ， et al . Apply the Laser Cladding Technology to the New Product Manufacturing ［J］. Construction Machinery Technology & Management ， 2017 ， 30 （ 08 ）： 79 - 82 .

吴影，刘艳，陈文静，等 . 超高速激光熔覆技术研究现状及其发展方向［J］. 电焊机， 2020 ， 50 （ 03 ）： 1 - 10 .

WU Ying ， LIU Yan ， CHEN Wenjing ， et al . Research status and development direction of extreme high-speed laser material deposition ［J］. Electric Welding Machine ， 2020 ， 50 （ 03 ）： 1 - 10 .

LIU Y B ， LIU Y ， TANG H P ， et al . Fabrication and mechanical properties of in situ TiC/Ti metal matrix composites ［J］. Journal oI Alloys g- Compounds ， 2011 ， 509 （ 8 ）： 3592 - 3601 .

SHAKTI K ， AMITAVA M ， DAS A K ， et al . Parametric study and characterization of A1N-Ni-Ti6A14V composite cladding on titanium a11oy ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2018 ， 349 ： 37 - 49 .

覃鑫，祁文军，左小刚 . TC4钛合金表面激光熔覆NiCrCoAlY-Cr 3 C 2 复合涂层的摩擦和高温抗氧化性能［J］. 材料工程， 2021 ， 49 （ 12 ）： 107 - 114 .

Qin Xin ， Qi Wenjun ， Zuo Xiaogang . Friction and High Temperature Oxidation Resistance of Laser Cladding NiCrCoAIY-Cr3C2 Composite Coating on TC4 Titanium Alloy ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2021 ， 49 （ 12 ）： 107 - 114 .

YANG C ， CHENG X ， TANG H B ， et al . Influence of microstructures and wear behaviors of the microalloyed coatings on TC11 alloy surface using laser cladding technique ［J］. Surface & Coatings Technology ， 2017 ， 337 （ 4 ）： 97 - 103 .

ZHAO G L ， ZOU Y ， ZOU Z D ， et al . Research on in situ synthesised （Ti，V）C/Fe composite coating by laser cladding ［J］. Materials Science & Technology ， 2014 ， 31 （ 11 ）： 1329 - 1334 .

安强，祁文军，左小刚 . TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性［J］. 材料工程， 2022 ， 55 （ 4 ）： 139 - 146 .

An Qiang ， Qi Wenjun ， Zuo Xiaogang . Microstructure and Wear Resistance of In- situ TiC reinforced Ti- based Coating by Laser Cladding on TA15 Titanium Alloy Surface ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2022 ， 55 （ 4 ）： 139 - 146 .

刘丹 . TC4钛合金表面激光熔覆复合涂层及耐磨性能研究［D］. 湖南：南华大学， 2015 .

Liu Dan . The Resea Rch of Laser Cladding Composite Coaying and Wear-resistance on TC4 alloy ［D］. Hunan ： University of South China ， 2015 .

苏猛 . 环形件激光熔覆再制造研究［D］. 河北：燕山大学， 2016 .

Su Meng . Research on High-power Semiconductor Laser Cladding Circular Workpieces Remanufa Cturing ［D］. Hebei ： Yanshan University ， 2016 .

陈珂玮，陈永雄，孔令超，等 . 环形激光熔覆技术研究现状及展望［J/OL］. 表面技术， 2022 ： 1 - 9 . http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20220302. 1643.003. html http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20220302.1643.003.html .

Chen Kewei ， Chen Yongxiong ， Kong Lingchao ， et al . Research Progress and Perspective in the Annular Laser Cladding Technology ［J/OL］. Surface Technology ： 2022 ： 1 - 9 . http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083. TG. 2022 http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.2022 0302 . 1643 . 003 . html .

牛宗伟，李明哲 . 钛合金微弧氧化技术的研究进展［J］. 电镀与环保， 2015 （ 1 ）： 1 - 4 .

Niu Zongwei ， Li Mingzhe . Research Progress of Micro-arc Oxidation Technology for Titanium Alloy ［J］. Electroplating & Pollution Control ， 2015 （ 1 ）： 1 - 4 .

Yang W ， Xu D P ， Wang J L ， et al . Microstructure and corrosion resistance of micro arc oxidation plus electrostatic powder spraying composite coating on magnesium alloy ［J］. Corrosion Science ， 2018 ， 136 ： 174 - 179 .

Zhang D Y ， Ge Y F ， Liu G L ， et al . Investigation of tribological roperties of micro-arc oxidation ceramic coating on Mg alloy under dry sliding condition ［J］. Ceramics International ， 2018 ， 44 （ 14 ）： 16164 - 16172 .

董凯辉，宋影伟，韩恩厚 . 钛合金内膜微弧氧化制备技术的研究进展［J］. 表面技术， 2021 ， 50 （ 7 ）： 57 - 66 .

Dong Kaihui ， Song Yingwei ， Han Enhou . Research Progress on the Preparation of Wear-resistant Micro-arc Oxidation Coatings on Titanium Alloys ［J］. Surface Technology ， 2021 ， 50 （ 7 ）： 57 - 66 .

陈宏，丁健，陈永楠，等 . 钛合金微弧氧化生物膜制备与性能研究［J］. 表面技术， 2021 （ 50 ）： 45 - 51 .

Chen Hong ， Ding Jian ， Chen Yongnan ， et al . Study on Preparation and Properties of Micro-arc Oxidation Biofilm on Titanium Alloy ［J］. Surface Technology ， 2021 （ 50 ）： 45 - 51 .

Shuo-Jen L ， Le H ， Toan D . Effects of copper additive on microarc oxidation coating of LZ91 magnesium-lithium alloy ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2016 ， 307 ： 781 - 789 .

Chen Q Z ， Jiang Z Q ， Tang S G ， et al . Influence of graphene particles on the micro-arc oxidation behaviors of 6063 aluminum alloy and the coating properties ［J］. Applied Surface Science ， 2017 ， 423 ： 939 - 950 .

李玉海，张勤，刘馨，等 . TC4钛合金微弧氧化复合陶瓷膜制备及耐磨性能研究［J］. 功能材料， 2015 ， 46 （ 09 ）： 9128 - 9132 .

Li Yuhai ， Zhang Qin ， Liu Xin ， et al . Investigation on Preparation and Wear Resistance of Micro-arc Oxidation Compositeceramic Coatings on TC4 Titanium Alloy ［J］. Ournal of Functional Materials ， 2015 ， 46 （ 09 ）： 9128 - 9132 .

解念锁，武立志 . 微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响［J］. 铸造技术， 2012 ， 33 （ 04 ）： 416 - 418 .

Xie Niansuo ， Wu Lizhi . Effects of Micro-arc Oxidation on High-temperature Oxidation Resistance of TC4 Titanium Alloy ［J］. Foundry Technology ， 2012 ， 33 （ 04 ）： 416 - 418 .

杨泽慧，王楠，陈永楠，等 . TC4合金表面微弧氧化原位生长自润滑MoS 2 /TiO 2 膜层研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2020 ， 49 （ 9 ）： 3198 - 3205 .

Yang Zehui ， Wang Nan ， Chen Yongnan ， et al . Study on Self-lubricating MoS 2 /TiO 2 Coating Synthesized on TC4 Surface by Micro-arc Oxidation ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2020 ， 49 （ 9 ）： 3198 - 3205 .

He X ， Song R G ， Kong D J . Microstructure and corrosion behaviours of composite coatings on S355 offshore steel prepared by laser cladding combined with micro-arc oxidation ［J］. Applied Surface Science ， 2019 ， 497 （ 15 ）： 143703 .

Ye Wang ， Danhua Lu ， Guolong Wu ， et al . Effect of laser surface remelting pretreatment with different energy density on MAO bioceramic coating ［J］. Surface & Coatings Technology ， 2020 ， 393 ： 125815 .

Kamal S ， Jayaganthan R ， Prakash S . Evaluation of cyclic hot corrosion behaviour of detonation gun sprayed Cr 3 C 2 -25%NiCr coatings on nickel- and iron-based superalloys ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2009 ， 203 （ 8 ）： 1004 - 1013 .

Hsiung J C ， Tzeng J ， Kung K . A Study of Thermal Spray Coating on Artificial Knee Joints ［J］. Life Science Journal ， 2013 ， 10 （ 2 ）： 457 - 463 .

Huang J ， Liu Y ， Yuan J H . Al/Al 2 O 3 Composite Coating Deposited by Flame Spraying for Marine Applications：Alumina Skeleton Enhances Anti-Corrosion and Wear Performances ［J］. Journal of thermal spray technology ， 2014 ， 23 （ 4 ）： 676 - 683 .

Wu Y Z ， Zhang D . Electrochemical corrosion behaviors and microhardness of laser thermal sprayed amorphous AlCrNi coating on S275JR steel ［J］. Optics and Laser Technology ， 2019 ， 118 ： 115 - 120 .

李长久 . 热喷涂技术应用及研究进展与挑战［J］. 热喷涂技术， 2018 ， 10 （ 04 ）： 1 - 22 .

Li Changjiu . Applications，Research Progresses and Future Challenges of Thermal Spray Technology ［J］. Thermal Spray Technology ， 2018 ， 10 （ 04 ）： 1 - 22 .

Huang J ， Liu Y ， Yuan J H . Al/Al 2 O 3 Composite Coating Deposited by Flame Spraying for Marine Applications： Alumina Skeleton Enhances Anti-Corrosion and Wear Performances ［J］. Journal of thermal spray technology ， 2014 ， 23 （ 4 ）： 676 - 683 .

Bonabi S F ， Ashrafizadeh F ， Sanati A N ， et al . Structure and Corrosion Behavior of Arc-Sprayed Zn-Al Coatings on Ductile Iron Substrate ［J］. Journal of Thermal Spray Technology ， 2018 ， 27 （ 3 ）： 524 - 537 .

李长久 . 中国冷喷涂研究进展［J］. 中国表面工程， 2009 ， 22 （ 4 ）： 5 - 14 .

Li Changjiu . The State-of-art of Research and Development on Cold Spraying in China ［J］. China Surface Engineering ， 2009 ， 22 （ 4 ）： 5 - 14 .

HASSANI-GANGATAJ S M ， MORlDl A ， GGAGLIA-NO M . Critical review of corrosion protection by cold spray coatings ［J］. Surface Engineering ， 2015 ， 31 （ 11 ）： 803 - 815 .

GHELICHI R ， MACDONALD D ， BAGHERIFARD S ， et al . Microstructure and fatigue behavior of cold spray coated ［J］. Acta Materialia ， 2012 ， 60 （ 19 ）： 6555 - 6561 .

MENG X ， ZHANG J ， ZHAO J ， et al . In fluence of gas temperature on microstructure and properties of cold spray 304SS coating ［J］. Joumal of Materials Science & Technology ， 2011 ， 27 （ 9 ）： 809 - 815 .

KARTHIKEYAN ， YAN J . The advantages and disadvantages of the cold spray coating process ［J］. Cold Spray Materials Deposition Process ， 2007 ： 62 - 71 .

HGSSAIN T ， MCCAARTNEY D G ， SHIPWAY P H ， et al . Corrosion behavior of cold sprayed titanium coatings and free standing deposits ［J］. Journal of Thermal Spray feclmology ， 2010 ， 20 （ 1-2 ）： 260 - 274 .

KHUN W ， TAN A W Y ， BI K U W ， et al . Effects of working gas on wear and corrosion resistances of cold sprayed Ti-6A1-4V coatings ［J］. Surface & Coatings Technology ， 2016 ， 302 ： 1 - 12 .

GHELICHI R ， GUAGLIANO M . Coating by the cole sparay process：A state of the art ［J］. Frattura ed Integrita Sturtturale ， 2009 ， 3 （ 8 ）： 30 - 44 .

周红霞，李成新，李长久 . 冷喷涂制备钛及钛合金涂层研究进展［J］. 中国表面工程， 2020 ， 33 （ 2 ）： 1 - 14 .

Zhou Hongxia ， Li Chengxin ， Li Changjiu . Research Progress of Cold Sprayed Ti and Ti Alloy Coatings ［J］. China Surface Engineering ， 2020 ， 33 （ 2 ）： 1 - 14 .

Li W Y ， ZHANG C ， WANG H T ， et al . Significant influences of metal reactibity and oxide films at particle surgaces on coating microstructure in cold spraying ［J］. Applied Surface Science ， 2007 ， 253 （ 7 ）： 3557 - 3562 .

李海升，刘坤，李文亚，等 . TC4钛合金表面冷喷涂制备CuNiIn涂层组织及其微动磨损性能研究［J］. 材料保护， 2022 ， 55 （ 1 ）： 22 - 27 .

LI Hai-sheng ， LIU Kun ， LI Wen-ya ， et al . Microstructure and Fretting Wear Properties of CuNiIn Coating Prepared by Cold Spraying on Surface of TC4 Titanium Alloy ［J］. Material Protection ， 2022 ， 55 （ 1 ）： 22 - 27 .

Ll C J ， Ll W Y . Deposition characteristics of titanium coating in cold spraying ［J］. Surface&Coatings Technology ， 2003 ， 167 （ 2-3 ）： 278 - 283 .

PELLETIER J L . Development of Ti-6Al-4V Coaring ontoTi-6Al-4V substrate using low pressure cold spray and pulse gas dynamic spray ［M］. Gniversity of Ottawa ， 2013 .

YIN S ， SUO X ， SU J ， et al . Effects of substrate hardness and spray angle on the deposition behavior of cold-sprayed T'i particles ［J］. Journal of Thermal Spray Teclmology ， 2013 ， 23 （ 1-2 ）： 76 - 83 .

ZAHIRI S H ， ANTONIO C I ， JAHEDI M . Elimination of porosity in directly fabricated titanium via cold gas dynamic spraying ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2009 ， 209 （ 2 ）： 922 - 929 .

WONG W ， REZAELAN A ， lRISSOG L ， et al . Cold spray characteristics of commercially pure Ti and Ti6-A14-V ［J］. Advanced Materials Research ， 2010 ， 89-91 ： 639 - 644 .

MGNAGALA V NV ， IMBRIGLIO S I ， CHROMIK R R . Significant influences of metal reactibity and oxide films at particle surgaces on coating microstructure in cold spraying Ti6A14V single splats ［J］. Materials Letters ， 2019 ， 244 ： 58 - 61 .