Модифікація поверхні титанових сплавів лазерним наплавленням композитів: структурні особливості та триботехнічні властивості
Анотація
У роботі представлено огляд сучасних досліджень, присвячених лазерним композитним покриттям для титанових сплавів, які розглядаються як перспективний напрям підвищення їхньої зносостійкості та довговічності в умовах експлуатації. Новизна роботи полягає у систематизації та порівнянні підходів до формування зміцнених шарів на основі титану з використанням лазерного легування, наплавлення та композитних модифікаторів Ni, WC, Ti3SiC2, Y2O3 та ін.), що дозволяє виявити найбільш ефективні механізми керування мікроструктурою і триботехнічними характеристиками. Метою дослідження є узагальнення експериментальних результатів останніх років щодо впливу лазерних технологій на структуру та властивості титанових сплавів, а також окреслення подальших перспектив їх практичного застосування. Матеріалами для огляду стали публікації провідних дослідників (Fehg, Wang, Yan, ін.), які базуються на результатах трибологічних випробувань, мікроструктурного аналізу та порівняння з альтернативними покриттями. Методологія роботи ґрунтується на критичному аналізі експериментальних даних і зіставленні показників зносостійкості, коефіцієнта тертя та морфології поверхні у різних умовах. Основні результати свідчать, що формування зміцнених шарів з
Ni–WC-композитами знижує коефіцієнт тертя титанових сплавів у середньому на
35–40%, а введення самозмащувальних фаз (Ti3SiC2, TiC, Ti5Si3) додатково підвищує стабільність трибологічних характеристик. Виявлено закономірність, згідно з якою оптимальне поєднання металевої матриці та карбідних фаз дозволяє мінімізувати пластичне деформування та зношування при навантаженнях, характерних для авіаційної і транспортної галузей. У висновках підкреслюється, що лазерні композитні покриття на титановій основі є ефективним засобом підвищення експлуатаційної надійності, однак подальші дослідження мають бути спрямовані на вивчення поведінки таких систем у морському середовищі, за підвищених температур та циклічних навантажень.
Посилання
Makhnenko V. I., Kovalenko V. S., Lazarenko A. G. Laser Processing of Materials (Kyiv: Naukova Dumka, 2012) [in Ukrainian].
Kovalenko V. S., Kutepov A. M. Laser Processing and Cladding of Metals (Kharkiv: NTU "KhPI", 2008) [in Ukrainian].
Venger Ye. F., Semchuk O. Yu., Havryliuk O. O. Laser-Induced Nanostructures in solids (K.: Akademperiodyka, 2016) [in Ukrainian].
Steen W. M., Mazumder J. Laser Material Processing (London: Springer, 2010). https://doi.org/10.1007/978-1-84996-062-5
Buchanan V. Laser Cladding (Cambridge: Woodhead Publishing, 2011).
Arif Z. U., Khalid M. Y., Ans Al Rashid, Ehtsham ur Rehman, Atif M. Laser deposition of high-entropy alloys: A comprehensive review. Opt. Laser Technol. 2022. 145: 107447. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107447
Huijun Yu ,Lu Lu ,Zifan Wang Chuanzhong Chen Microstructure and Wear Resistance of a Composite Coating Prepared by Laser Alloying with Ni-Coated Graphite on
Ti-6Al-4V Alloy. Materials. 2022. 15(16): 5512. https://doi.org/10.3390/ma15165512
Sun S., Wang J., Xu J., Xiangyu C., Chenghu J., Zhendong C., Ru H., Yongyue L., Junke J. Preparing WC-Ni coatings with laser cladding technology: A review. Mat. Today Commun. 2023. 37: 106939. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106939
Kang L., Chen F., Wu B., Liu X., Ge H. Mechanical properties and microstructure of laser-cladding additively manufactured 316L stainless steel sheets. J. Constr. Steel Res. 2022. 199: 107603. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107603
Kang L., Zhang C., Bradford Mark A., Liu X. Residual stresses in circular steel tubular columns repaired by laser-cladding additive manufacturing. Thin-Walled Struct. 2023. 193: 111275. https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.111275
Vasyliev M. O., Nyshchenko M. M., Gurin P. O. Laser-Assisted Modification of a Surface of Titanium Implants. Usp. Fiz. Met. 2010. 11(2): 209 [in Russian]. https://doi.org/10.15407/ufm.11.02.209
Gu B., Wang Y., Xu G., Gao L. Effect of ultrasonic impact on the microstructure and properties of 30%WC-Ni ceramic coatings by laser cladding. Ceram. Int. 2025. 51(4): 4677. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.440
Feng M., Ma Y., Tian Y. Cao H. Microstructure and Wear Resistance of Ti6Al4V Titanium Alloy Laser-Clad Ni60/WC Composite Coating. Materials. 2024. 17(1): 264. https://doi.org/10.3390/ma17010264
Wang K., Du D., Liu G., Chang B., Hong Y. Microstructure and properties of WC reinforced Ni-based composite coatings with Y₂O₃ addition on titanium alloy by laser cladding. Sci. Technol. Weld. Join. 2019. 24(5): 517. https://doi.org/10.1080/13621718.2019.1580441
Lu Y., Li J., Xu J., Chen H., Yang Y., Zhang L. Microstructure and wear resistance of
Ti-6Al-4V composite coatings prepared by laser cladding. Appl. Surf. Sci. 2006. 252(8): 2832.
Farahmand P., Liu S., Zhang Z., Kovacevic R. Laser cladding assisted by induction heating of Ni-WC composite enhanced by nano-WC and La2O3. Ceram. Int. 2014. 40: 15421A. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.097
He B.F., Ma F., Ma D.Y., Xu K.W. Study of Wear and Corrosion Resistances of
Ni60-WC+TiC Composite Coating. J. Nanoelectron. Optoelectron. 2020. 15: 1300.
Liu J., Liu C., Zhang X., Yin X., Yin X., Meng F., Liu C. The Microstructure and Wear Resistance of Laser Cladding Ni60/60%WC Composite Coatings. Metals. 2025, 15(2): 166. https://doi.org/10.3390/met15020166
Yao J., Zhang J., Wu, G., Wang L., Zhang Q., Liu R. Microstructure and wear resistance of laser cladded composite coatings prepared from pre-alloyed WC-NiCrMo powder with different laser spots. Opt. Laser Technol. 2018. 101: 520. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.12.007
Wu J., Zhang J., Chen D., Huang J., Shi W., An F., Wu X. Study on the Effect of CeO2 on the Performance of WC + Ni60 Laser Cladding Coating. Lubricants. 2025. 13(1): 24. https://doi.org/10.3390/lubricants13010024
Yan J., Li H., Zhang X., Chen D., Huang J., Shi W., An F., Wu X. Fabrication and tribological behaviors of Ti₃SiC₂/Ti₅Si₃/TiC/Ni-based composite coatings by laser cladding for self-lubricating applications. Opt. Laser Technol. 2020. 124: 105989.
Zhao J. N., Liang J., Chen S. Y., LIU C.S., Liu F. H. Microstructure and Wear Properties of Laser Synthesized Composite Coatings on Ti-6Al-4V. AMM. 2012. 217-219: 1354. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.217-219.1354
Авторське право (c) 2025 С. В. Кирилаха
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
