文 献 综 述

1.1 钛合金概述

钛合金具有比强度高、熔点高、无磁性、热膨胀系数低、密度低以及耐腐蚀性能好、耐生物侵蚀等许多优异特性，成为航空、航天飞行器等高技术领域不可或缺的关键结构材料，并在化工、能源、舰船、石油、生物医学等国民经济领域获得了越来越多的应用^[1-3]。钛合金材料的研发和应用水平，已经成为一个国家新材料研究应用水平和综合国力的重要体现之一。近年来，各国正在开发具有高性价比的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。在钛合金的研究及应用方面美国一直处于世界领先地位。尤其在航空工业中，不管是四代战斗机的代表 F-22 还是波音公司的 B-777 都大量地采用了钛合金。近 20 年来，美国一方面大力开发先进航空钛应用技术，例如用等温锻造技术、精铸技术生产大型的航空锻件、铸件，用超塑成型技术生产结构复杂的航空构件，不仅大大简化构件，使之减重，而且减少装配工具，节约装配时间；另一方面，美国也在大力开发高附加值的钛民用品。美国正在实行的 PNGV 十年计划（家用汽车减重 40%），投资 1 亿美元，将 Ti 与 Al、Mg 一起推广到汽车。该计划不仅将钛用于汽车的连杆、气门弹簧、消音器、排气管等小部件，而且要用于汽车底盘等负重部件。美国的医用钛制品也是非常先进的，钛心脏起搏器和钛血管支架等产品早已进入我国，一直是医院的畅销产品。俄罗斯的钛应用技术也非常的先进，在海洋工程如海上油气田的开采、核能应用等某些方面甚至领先于美国，如钛合金在”一体化压水堆”上的应用技术就是俄罗斯的独创。另外，俄罗斯还将钛合金广泛应用于船舶动力装置中的热交换器、海水淡化器等，相比于不锈钢和铜合金，其服役寿命及服役可靠性大幅度提高。日本钛的民用技术走在世界的前列。在日本，钛产品已遍及化工、石化、建筑、医疗、交通、体育、日用电子产品、炊具等各个部门。在民用品开发中，形成了许多专利技术。近年来，受社会与经济发展的拉动，我国钛合金的研究与产业化水平不断提高。尤其是国内航空、能源、化工、体育休闲、航天、冶金等领域对钛合金应用的需求刺激了钛工业的飞速发展^[4-6]。但是钛合金的硬度比较低，仅为300~400HV，在很多工作环境下，不能满足使用要求，严重限制了应用。另外钛合金摩擦系数大、耐磨性差，高温抗氧化性能低等缺点，大大限制了钛合金的应用范围，特别是严重制约了钛合金作为摩擦副运动零部件的使用^{[7, 8]}。由于钛合金零部件摩擦磨损、微动损伤等失效行为均起源于零件表面，因此，采用先进的表面工程手段，在钛合金零部件表面上制备一层具有低摩擦系数、优异室温及高温耐磨性能、优异高温抗氧化性能、同钛合金基材之间为牢固冶金结合的表面改性层，无疑是在保持钛合金固有性能优点的前提下、从根本上解决钛合金摩擦系数高、耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有缺陷的最经济、有效、灵活、最具可设计性的方法之一^{[9, 10]}。

1.2 TiAl系金属间化合物概述

金属间化合物被认为是新型轻质耐高温结构材料，它独特的轻质、高比强、高比刚和耐蚀特性，以及优异的高温抗氧化和高温力学性能等特性，能够有效提高结构部件工作效率和使役温度，减少能源消耗和 CO₂排放，大幅度提升汽车和航空航天工业水平。

表1-1 γ-AlTi基、AlTi₃基、Ti合金和Ni基高温合金的性能比较

Table 1-1 Comparison of γ-AlTi based、AlTi₃based、Ti alloy and Ni based high temperature alloy performance

TiAl和钛合金相比具有较低( 或相近) 的密度，更高的显微硬度，更好的耐磨性能，更好的抗高温氧化性能和阻燃性能，更高的抗蠕变极限温度以及更好的高温强度。高温性能与镍基高温合金差不多，但其密度仅为镍基高温合金的一半，因此在钛及其合金表面制备Ti-Al系金属间化合物涂层将大大拓宽其应用领域。但是其室温塑性差、高温强度低，大于800℃情况下氧化性能差是其应用的主要问题，为了克服TiAl金属间化合物的这些缺点，加入TiC、WC合金陶瓷粉末作为硬质陶瓷颗粒增强相可以帮助其作为结构材料的使用扫清障碍。

1.3 金属基复合陶瓷涂层

金属基陶瓷涂层是指涂在金属表面的耐热无机保护层或表面膜的总称[11]。金属材料外表面的组织形貌、结构及化学组成都会因为金属基陶瓷涂层而改变，原基体会被赋予新的性能。金属基复合陶瓷涂层同时具备优异的耐磨性能和塑韧性能，且与基体金属有着很好的匹配性，具有非常优良的力学性能。它能够适应不同的工况条件，满足生产的需求，能够在节约成本和延长寿命之间做到相对最优，因此备受人们的重视。

1.4 金属基复合陶瓷涂层的应用

随着工况条件对材料的要求不断提高和对金属基陶瓷复合涂层的形成机理及使用过程中的失效机理逐渐深刻的认识，人们在实际使用的同时不断地改进现有陶瓷涂层的性能，发展新涂层和新工艺[12]。金属基陶瓷涂层的应用日益广泛并且金属基陶瓷涂层的种类也逐渐增加，现简单介绍如下：

1.在航天航空工业中的应用。陶瓷涂层在航天航空工业得到广泛的应用。由于航天飞机穿越大气层时与空气的摩擦作用会要产生1000℃以上的高温，为了使得舱内正常温度保持正常，可以在机身表面涂上黑色硼化硅和白色硼硅酸盐涂层[13]。

2.在汽车工业中的应用。为减轻重量而开发新#8212;代汽车发动机是汽车工业中新的研究方向。欧洲和日本的汽车制造厂家已经采用了合金上电解沉积Ni-SiC复合镀层[14]。

3.在切削刀具上的应用。目前陶瓷涂层刀成为刀具发展的一个引入注目的方向，由于是陶瓷涂层刀具具有硬度高、耐热粘结性强、化学稳定性高、切削韧性好、切削性能优良等优点。在基体上熔烧一层厚约0.9mm的立方氮化硼的硬质合金刀具可加工钴、镍等硬质合金，其切削效率是硬质合金刀具的5倍[15]。

4.在电力电子工业中应用。陶瓷涂层在电力电子行业也能大显身手：当涂层的厚度为30micro;m以上时，它的介电常数已超过6000℃，所以在铁皮上喷涂0.1mm的钛酸钡[16]，可以大幅度提高介电常数。固定电容器、可变电容器、混合集成电路的片电容器和电容器网络的基片上，这种高介电常数涂层得到广泛应用。

1.5 陶瓷复合涂层的陶瓷增强相

目前，碳化物陶瓷相（TiC、WC、ZrC）和硼化物陶瓷相（TiB₂、ZrB₂[17]）由于其较为廉价的成本和优异的性能，已经得到了广泛的应用。这两类陶瓷材料不仅具有优良的热化学稳定性以及优异的物理性能，包括高硬度、高弹性模量、适中的热膨胀率、高导电率、高热导率等，而且具有高熔点，能够在高温下保持高强度。

1.6 原位合成法

颗粒增强金属基复合材料主要分为两种方法：通过原始粉末原位自生强化相增强金属基复合材料和添加成品的陶瓷增强金属基复合材料。采用原位合成法[18]的优点有：省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，其工艺简单，成本较低；保持韧性和高温稳定性，大幅度地提高材料的强度和弹性模量；原位形核、长大后，增强体表面不会有污染，界面结合强度较高。

1.7 激光熔覆技术

激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层 材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,

与基体材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气仔性等的工艺方法。激光熔覆的优点有：涂层为冶金结合，结合强度较高；精确的指向性，基体热形变很小[19]，成型美观；冷速快，较大的过冷度可以细化组织[20]，熔覆层的微观组织结构均匀、致密且缺陷少，进一步优化涂层的性能。但激光熔覆也有设备昂贵成本高、对工艺和生产条件要求较高的缺点。

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