01钛合金表面激光熔覆材料
1.1 自熔性合金粉末
自熔性合金粉末主要有镍基、钴基、铁基3种，由于自熔性合金粉末中含有硼、硅以及较高含量的铬元素，故表现出优异的自脱氧及造渣能力，并且能够改善熔体对基体金属的润湿能力，降低熔覆层中的含氧量，减少熔覆过程中产生的夹杂，进而提高熔覆层的成形质量。
镍基自熔性合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性以及抗氧化性，价格适中，应用较广，但高温性能较差，通常用于局部要求耐磨、耐腐蚀的构件，常用的镍基自熔性合金粉末有Ni-B-Si、Ni-Cr-B-Si以及Ni-Cr-B-Si-Mo等。
钴基自熔性合金粉末具有良好的耐热性、耐磨性以及高温抗氧化性，高温时钴元素容易与其他添加元素形成新相，对熔覆层形成强化作用，其缺点是价格较高，使用成本较大，通常应用于石化、电力、冶金等领域。
铁基自熔性合金粉末成本低，但由于自身熔点高，抗氧化性差，在熔覆过程中容易形成开裂、气孔等缺陷，不能满足绝大部分钛合金的应用条件，目前相关研究及应用报道较少。
1.2 陶瓷粉末
相比于一般金属，陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好等特点，常用于制备热障涂层及高温耐蚀涂层。陶瓷粉末通常可分为氧化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末，氧化物陶瓷粉末主要为氧化铝、氧化锆及少量稀土氧化物，能够在熔覆层中作为强化相，有效改善材料的使用性能。
1.3 金属基陶瓷复合粉末
金属基陶瓷复合粉末是一种将高熔点的硬质陶瓷颗粒添加至自熔性金属粉末中形成的新型熔覆材料，可同时发挥金属粉末材料自熔性强、润湿性好、低成本以及陶瓷粉末耐高温、耐磨等优势，从而制备出高质量的熔覆涂层。
1.4 其他特殊增强材料
除自熔性合金粉末、陶瓷粉末以及金属基陶瓷复合粉末外，钛合金表面激光熔覆材料还包含高熵合金涂层、稀土增强涂层等。
高熵合金是以5种或者5种以上主要元素以等摩尔比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。研究表明，在钛合金表面激光熔覆高熵合金，可以提高其表面硬度、提升耐磨性、强化高温抗氧化性。
稀土元素包含元素周期表中第三副族中原子序数从57至71的15个镧系元素及钪和钇共计17个元素，其原子半径较大，具有独特的外层电子结构，表现出极强的理化性能。通过向熔覆材料中添加稀土元素能够提高熔体流动性，起到细化晶粒、提高熔覆层致密度以及改善涂层硬度、耐磨性等作用。在熔覆层材料中，稀土元素作为各种性能的改良剂，多以稀土化合物的形式存在，如CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF等，由于化学活性较强，稀土氧化物容易与硫、氧、硅、氮等杂质元素形成高熔点化合物，增加熔区共晶温度，提高形核质点数量，达到细化晶粒作用；在陶瓷材料中添加稀土元素，能够改变合金的润湿性，提高合金致密度，降低孔洞边缘的应力集中，提升熔覆层的界面结合强度，改善陶瓷涂层的组织和耐磨性能。
2.1 熔覆材料供给方式对熔覆层的影响
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程。熔覆材料的供给方式可以分为预置式和同步式2类，其中预置式主要包括热喷涂法和粘结剂法2种。
热喷涂法主要是利用热源将被熔覆粉末加热至半熔融或熔融状态，然后将其以一定速度喷射至基体表面，待冷却沉积后形成熔覆层。通过这种方法获得的熔覆层相对均匀且粘合性较好，缺点是操作流程较为繁琐，并且熔覆粉末的利用率较低，导致成本高。此外，由于温度较高，会对基体产生一定的热影响，甚至造成基体形变。
粘结剂法是指通过粘结剂提前将熔覆粉末混合，均匀涂覆在钛合金基体表面的方法。相比于热喷涂法，粘结剂法不会对基体材料产生热影响，基体几乎不会发生被动变化，并且该熔覆方法成本较低，操作也相对简单；缺点是所获得的熔覆层均匀度较差，与基体结合强度较低，且容易在熔覆过程中产生气孔等缺陷。根据2种方法自身的特点，实际中预置板材、丝材时通常采用粘结剂法，预置粉末材料时多采用热喷涂法。
同步式激光熔覆是指在熔覆过程中，利用粉末喷嘴装置直接将熔覆材料送至激光束中，保证供料和热熔覆同步进行，在钛合金表面直接形成熔覆层。该方法操作简单，熔覆效率高，自动化程度高，加工工艺难度低，熔覆层几乎无气孔等缺陷，可极大提升熔覆层质量。
2.2 熔覆工艺参数对熔覆层的影响
激光功率为激光发生器在单位时间内所能提供的激光能量，能够影响激光束在熔覆区的能量辐照强度，控制熔覆层的质量和性能。激光功率过大，会使熔池深度增加，基体材料受到影响，发生变形或开裂现象；反之，激光功率过小，熔覆材料难以完全熔化，熔覆层易产生孔洞或夹杂等缺陷，导致熔覆层质量下降。
激光束的光斑直径决定着熔覆层的宽度，通常光斑越小，熔覆效果越好，但不宜过小，否则难以获得大面积的熔覆层。
激光束扫描速度即激光熔覆的快慢，能够间接影响熔覆区的能量强度。激光束的扫描速度不宜过快或过慢，激光熔覆速度过快，熔覆区的温度较低，熔覆材料熔化不完全，容易产生夹杂，降低熔覆层质量；反之，激光束扫描速度过慢，熔覆区的温度过高，容易造成元素流失或基体损伤。
因此，需要协调激光功率、激光束的光斑直径以及激光束扫描速度3个工艺参数，根据各自作用特点选择合适的参数，从而获得高质量的熔覆层。
3.1 耐磨涂层
截至目前，关于钛合金表面激光熔覆的研究中，耐磨涂层的研究最为广泛。耐磨涂层多选择金属基陶瓷材料，主要通过调整其增强相的种类、性能以及在熔覆层中的含量和分布状况，从而有效提高钛合金基体的耐磨性能。
3.2 耐腐蚀涂层
通常在钛合金表面激光熔覆金属基陶瓷复合材料以制备耐腐蚀涂层，其中典型的有以镍基自熔合金为基，通过添加SiC、B4C、WC等颗粒形成复合材料，以提高熔覆层的耐蚀性。同样，以钴基自熔合金为基的硬质合金熔覆层也表现出优异的耐腐蚀性能。
3.3 高温抗氧化涂层
在钛合金表面进行激光熔覆能够在不改变材料整体性能的前提下，有效避免其在高温下发生氧化。通过在金属基合金粉末中添加Cr3C2等材料，在试样表面形成连续完整的Cr2O3熔覆层，且组织均匀致密，与基体结合性较好，高温抗氧化性能明显提高。
3.4 生物涂层
当前，在钛合金表面制备生物陶瓷涂层的方法有等离子喷涂、磁控溅射和脉冲激光沉积等。与以上几种制备方法相比，激光熔覆生物涂层与基体的结合性较好、生物活性较高、植入体服役寿命长，因而在生物涂层领域的应用研究也越来越多。钛合金表面激光熔覆生物涂层的研究主要集中在金属表面熔覆羟基磷灰石（HAP）、氟磷灰石以及含Ca生物陶瓷材料，TC4钛合金因具备良好的生物相容性被用作生物陶瓷涂层的载体。
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