摘要：锡青铜因具有良好的导热、导电、耐蚀性、抗疲劳及自润滑性被广泛应用在轴承、配件、齿轮等机械上。然而，随着工程装备、机械部件向轻型化、轻量化发展，锡青铜难以达到工程机械部件轻量化的目的。TC4 钛合金作为重要的结构材料，其密度为4.5 g/cm3，并且其具有高比强
锡青铜因具有良好的导热、导电、耐蚀性、抗疲劳及自润滑性被广泛应用在轴承、配件、齿轮等机械上。然而，随着工程装备、机械部件向轻型化、轻量化发展，锡青铜难以达到工程机械部件轻量化的目的。TC4 钛合金作为重要的结构材料，其密度为4.5 g/cm3，并且其具有高比强度、耐蚀性优良、可焊接好等特点，因此被广泛应用于航空航天、工程机械等领域。在TC4 钛合金上激光熔覆QSn6.5-0.1锡青铜粉末制备锡青铜与钛合金的复合材料，将大幅减轻构件质量，同时可以提高材料性能。
【研究亮点】
锡青铜激光熔覆层与TC4基体结合良好，无孔隙和裂纹，最大硬度达到482 HV0.2，是锡青铜块材的5.24 倍，TC4 钛合金基体的1.60 倍，同时具有较低的摩擦因数（0.51）以及最低的磨损量（1.2 mg），耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4 倍，比TC4 钛合金基体提高了5.6 倍，磨损形式主要表现为磨粒磨损及氧化磨损。
【全文导读】
西安工业大学高培虎教授等在2024年第44卷第10期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“TC4 钛合金表面激光熔覆锡青铜组织性能研究”的文章，作者采用X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）、扫描电镜（SEM）、显微硬度计、摩擦磨损试验机等，研究了激光熔覆功率对TC4钛合金表面熔覆层微观组织结构和力学性能的影响。结果表明，锡青铜熔覆层主要由Cu10Sn3、Cu6Sn5、Cu4Ti3、CuTi以及Cu2O等物相构成，熔覆层与基体结合良好，无孔隙和裂纹。当激光熔覆功率从480 W增至640 W时，熔覆层的硬度增大。当激光熔覆功率为640 W时，锡青铜熔覆层的硬度（HV0.2）达到最大482，是锡青铜的5.24倍，是TC4钛合金基体的1.60倍。同时该功率下的锡青铜涂层具有较低的摩擦因数（0.51）以及最低的磨损量（1.2 mg），均低于锡青铜块材和TC4钛合金，耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4倍，比TC4钛合金基体提高了5.6倍。磨损形式主要表现为磨粒磨损及氧化磨损。
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【图文解析】
试验材料及方案：
采用TC4 钛合金，其主要化学成分见表1，基体为α + β 型双相钛合金，见图1。熔覆粉末材料为200~500 目的QSn6.5-0.1 锡青铜，其微观形貌见图2，粉末以球形形貌为主，粒径为30~75 μm，主要成分见表2。图3 为锡青铜粉末X 射线衍射图谱，Sn 固溶于Cu中形成固溶体。采用Reci FSC2000型激光熔覆机进行熔覆，主要研究激光功率（400、480、560 和640 W）对熔覆层组织性能的影响。
图1 TC4钛合金基体形貌
图2锡青铜粉末形貌
图3锡青铜粉末X射线衍射图
主要结果及图片：
从不同熔覆功率下锡青铜熔覆层截面形貌（图4）可以看出，不同熔覆功率下熔覆层与基体界线明显，形成了较好的冶金结合，且熔覆层无明显孔洞缺陷。熔覆层主要包含熔覆层区（CZ）、结合区（BZ）、基体区（SZ）3 个部分。随着熔覆功率增大，涂层的宏观形貌并未发生较大变化，熔覆层厚度均匀。激光熔覆能量密度大并且热量集中，在激光热源的作用下，锡青铜粉末
与TC4 钛合金基体表面会吸收热量熔化进而形成熔池。根据凝固理论，浸润状态良好的两种金属液会直接在熔池中自发形核而快速凝固结晶，熔池内晶粒连续生长，因此基体与熔覆层会产生良好的冶金结合。
图4不同熔覆功率下的熔覆层整体形貌
从不同功率下锡青铜熔覆层的X 射线衍射图（图5）可以看出，熔覆层主要相为Cu10Sn3、Cu6Sn5、Cu4Ti3、CuTi 及Cu2O。在激光热源的作用下，锡青铜粉末中的Cu 元素快速扩散到钛合金基体中，在熔池中与基体中Ti 元素形成不同摩尔比的铜钛金属间化合物Cu4Ti3、CuTi。快速冷却过程中，还形成了Cu10Sn3、Cu6Sn5金属间化合物。同时，铜合金在熔覆过程中还出现了部分氧化，形成了少量的Cu2O。
图5锡青铜熔覆层的 X 射线衍射图
从熔覆层硬度分布（图6）可以看出，在激光熔覆功率分别为400、480、560 和640 W 时，锡青铜熔覆层平均显微硬度（HV0.2）分别为314、357、419 及482。随着激光熔覆功率的增加，熔覆层显微硬度逐渐增大。在试验条件下，激光熔覆功率在400~640 W 范围内，熔覆层成形良好。在更高功率的工艺试验中发现明显过热开裂现象，因此，工艺优化过程激光功率定为640 W，此时锡青铜熔覆层的硬度（HV0.2）最高，为482，分别是锡青铜块材、TC4 钛合金平均显微硬度的5.24 和1.6 倍。熔覆层显微硬度提高是由于熔覆层冷却时，熔覆材料Cu、Sn等元素与基体Ti 元素扩散均匀，形成Cu-Ti 金属间化合物，以及合金元素的固溶强化等原因，使得熔覆层硬度提高显著。
图6不同功率下熔覆层顶部到基体硬度分布
由图7 可以看出，锡青铜块材摩擦因数最高约为0.70，TC4 钛合金基体的摩擦因数约为0.53。4种不同的激光熔覆功率下摩擦因数相差不大，熔覆功率为560 W 时摩擦因数最小，约为0.48。熔覆功率为640 W 时摩擦因数与TC4 钛合金基体接近，约为0.51。与锡青铜块材及TC4 钛合金相比，锡青铜熔覆层起到一定程度的减摩作用。同时涂层内部多相组织中软硬相间隔分布，在摩擦磨损过程中，遇到软硬相相间并且相的尺寸较大时，可能引起摩擦因数较大的波动。
图7不同功率下熔覆层摩擦因数
激光熔覆功率为400、480、560 和640 W时，锡青铜熔覆涂层磨损质量损失分别为3.6、3.4、2.0和1.2 mg，均低于钛合金基体的6.8 mg 及锡青铜块材的4.1 mg。在激光熔覆功率为640 W 时，锡青铜熔覆涂层摩擦因数低，磨损质量损失小，耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4 倍，与TC4 钛合金基体相比提高了5.6倍，其摩擦磨损综合性能最优。在摩擦磨损过程中，能够起到很好耐磨作用的是铜钛金属间化合物。金属间化合物除了拥有结合能较高的金属键，还有一定的共价键，使得其原子结合力较强，表现出较高的硬度，能够很好地抵抗外力的磨损。同时由于熔覆层组织的快速冷凝特点使得其组织晶粒细小，在磨损过程中，相互交叉嵌入的枝晶会阻止涂层与基体发生脱落，因此出现熔覆层剥落的可能性也降低，从而使涂层耐磨性能得到显著提高。
图8不同功率下熔覆层及销子磨损量
当激光熔覆功率为400 W 及480 W 时，熔覆层磨损后表面粗糙度较大，有大量的黏着物，EDS 能谱分析发现黏着物均为Cu 和Ti 的氧化物，磨损形式表现为氧化磨损及黏着磨损。当激光熔覆功率为560 W 及640 W 时，锡青铜熔覆层磨损试验后的表面出现了少量的磨粒。通过EDS 能谱分析均为Cu 和Ti 的氧化物，磨损形式为氧化磨损及磨粒磨损。
图9 不同激光熔覆功率锡青铜熔覆层摩擦磨损形貌、锡青铜块材、TC4 钛合金块材磨损形貌图
【主要结论】
（1）在TC4 钛合金表面通过激光熔覆的锡青铜熔覆层平整光滑，涂层与基体冶金结合，组织为典型的快速凝固组织，主要相为Cu10Sn3、Cu6Sn5、Cu4Ti3、CuTi 及Cu2O。
（2）激光功率为640 W 时，锡青铜熔覆层的平均硬度（HV0.2）最高，为482，分别是锡青铜块材和TC4 钛合金的5.24 倍和1.6 倍。激光功率为640 W 时，锡青铜熔覆层有较低的摩擦因数（0.51）以及最低的磨损质量（1.2 mg），均低于锡青铜块材和TC4 钛合金，耐磨性能与锡青铜相比提高了3.4 倍，与TC4 钛合金基体相比提高了5.6 倍。TC4 钛合金表面激光熔覆锡青铜熔覆层磨损为磨粒磨损及氧化磨损的交互作用。
【文章来源】
特种铸造及有色合金2024年第44卷第10期，欢迎引用！
【作者团队介绍】
高培虎，教授、博士生导师，西安工业大学材料与化工学院材料科学与工程系主任，中外合作办学西安圣彼得堡理工学院金属材料工程专业负责人。从事复合材料强韧化、复合材料及其界面、表面防护与增材制造方面的研究。中国机械工程学会会员、全国材料与器件专家智库会员、中国硅酸盐学会会员、陕西省表面工程学会理事、陕西省腐蚀与防护学会理事、美国ASM学会会员、热喷涂学会会员。主持国防科工局、装备发展部、科技部、国家自然科学基金面上项目等国家级项目12项。作为技术骨干参与国家973项目、国防973项目和国家总装备部“十一五”、“十二五”及“十三五”国防项目以及省部级项目14项。获产学研合作进步一等奖1项、国防科学技术进步二等奖1项、陕西高等学校科学技术一等奖2项、西安工业大学科技进步特等奖1项,陕西省教学改革成果二等奖1项。应邀在国际会议口头报告16次，担任分会主席4次，发表论文60余篇，SCI、EI收录20余篇次，国家发明专利13项。
【引用格式】
张波，党国栋，高培虎，等. TC4钛合金表面激光熔覆锡青铜组织性能研究［J］. 特种铸造及有色合金，2024，44（10）：1 362-1 367.
ZHANG B，DANG G D，GAO P H，et al. Microstructure and properties of laser cladded tin bronze on the surface of TC4 titanium alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（10）：1 362-1 367.
来源：特铸杂志