3.1.3 熔覆层Ti含量添加优化
在熔覆过程中只有足够的Ti元素才能提供TiN形成的条件，粉末中Ti元素的含量对熔覆过程中TiN的形成量有直接影响。TiN相是一种陶瓷相，当熔覆层内形成TiN时，较多的TiN相会在凝固过程中作为应力集中源，从而导致熔覆层应力集中而产生裂纹；而较少的TiN含量又会降低熔覆层的强度、硬度等性能。为了研究熔覆粉末内Ti粉末含量对熔覆层质量的影响，采用三种质量配比的Ni15A∶Ti（1∶1、7∶3、8∶2）粉末对熔覆层质量和TiN含量、硬度进行优化。
为了研究Ti添加量对熔覆层中TiN含量和熔覆层质量的影响，对熔覆层截面进行了SEM分析，发现各种配比的熔覆层截面形貌中都出现了颜色较深的由胞状相组成的呈花瓣状或树枝状的黑色相，并对黑色相进行了EDS能谱分析。图3.4为熔覆层截面微观组织形貌中黑色相的能谱图和元素含量图，发现黑色相的主要元素成分为Ti和N元素，两种元素的原子比基本接近1∶1，由此推断熔覆层内黑色相为TiN相。
图3.4 熔覆层截面微观组织形貌和黑色相能谱分析
图3.5为Ni15A∶Ti三种质量配比熔覆粉末经等离子熔覆后熔覆层的宏观形貌和微观形貌扫描图。从图3.5（a）和（d）可以看出粉末配比为1∶1时，熔覆层宏观组织中出现了裂纹，熔覆层内TiN相较多，TiN相分布较均匀。熔覆层内裂纹的出现是由于TiN相含量较多，造成了应力集中。从图3.5（b）和（e），（c）和（f）可以看出，当熔覆粉末质量比为7∶3和8∶2时，熔覆层截面宏观形貌较好，未出现裂纹和气孔等微观缺陷，熔覆层内都出现了TiN相。在质量比为7∶3时，熔覆层内TiN相结晶较充分，形成了花瓣状形状，TiN相比8∶2时相对量较大、分布较均匀。
图3.5 不同质量配比的Ni15A∶Ti熔覆层的宏观形貌和微观形貌
（a）、（d）1∶1；（b）、（e）7∶3；（c）、（f）8∶2
熔覆层的硬度是熔覆层应用的关键指标之一，硬度直接决定熔覆层的服役工况和持久寿命。对熔覆层样品的截面进行了显微硬度试验，每个样品沿熔覆层厚度方向随机取10个点，对其硬度值结果取算术平均值，测得三种不同粉末质量配比的熔覆层的硬度如图3.6所示。
从图3.6中可以看出，随着Ti含量的降低，熔覆层的平均硬度由829HV0.2下降到609HV0.2，结合图3.5（d）、（e）、（f）熔覆层的微观形貌可以看出，熔覆层内TiN含量的降低，导致了熔覆层硬度降低。
图3.6 三种粉末配比熔覆层硬度值
综合三种粉末配比的熔覆层宏观形貌、微观TiN含量以及熔覆层硬度可以得出，当Ni15A∶Ti粉末质量比为7∶3时，熔覆层宏观形貌较好，无裂纹、气孔等缺陷，微观形貌下熔覆层内TiN含量较多，熔覆层硬度较高，因此Ni15A∶Ti粉末的最佳质量比为7∶3。
将熔覆层的宏观表面形貌作为指标，对熔覆层的熔覆电流和扫描速度进行工艺参数优化的结果是：当熔覆电流为80A，扫描速度为3mm/s时，熔覆层成型性较好，无裂纹和气孔等缺陷。熔覆层的最佳工艺参数为主气（氩气）2L/min，保护气（氩气）6L/min，送粉气（氮气）3L/min，电流80A，电压220V，扫描速度3mm/s，送粉量20g/min。
以熔覆层截面形貌质量和熔覆层内TiN含量以及熔覆层的截面硬度作为指标，对Ni15A∶Ti三种不同质量配比的粉末进行了成分优化。结果表明在粉末质量配比为1∶1时熔覆层内TiN含量最多，出现了裂纹。粉末配比为7∶3和8∶2时，熔覆层内无裂纹，熔覆层内TiN含量随着Ti含量增加而增多，熔覆层硬度随着Ti粉末质量比的降低而降低。综合熔覆层截面形貌和熔覆层内TiN含量和硬度分析，熔覆粉末Ni15A∶Ti质量比为7∶3时最好，熔覆层质量较好，TiN含量和硬度较高。