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钛合金较差的耐磨性能一直限制钛合金在苛刻摩擦领域的应用。采用激光熔覆的方法在钛合金的表面涂覆耐磨涂层，以其经济、高效、快捷而成为钛合金表面强化技术的重要手段之一。采用原位合成的陶瓷-金属基复合涂层以其优异的抗磨损性能而得到广发的开发和应用。目前，对激光熔覆原位合成陶瓷-金属基复合涂层的组织-工艺-性能之间关系的研究不系统，对原位合成的机理研究相对匮乏。因此采用激光熔覆Ti-BN体系，研究熔覆工艺-组织-性能之间相互作用关系，并探讨原位合成的原位反应机理，对采用激光熔覆方法原位合成陶瓷-金属基复合强化涂层有重要的理论意义和实际应用价值。
研究了激光功率、激光扫描速度、送粉速度、Ti与BN粉末的摩尔比例和BN的粒度分布对组织相分布及形貌的影响。结果表明:在适宜的工艺参数条件下，获得了原位生长的TiB-TiN复合强化钛基涂层。获得的涂层与基体结合良好，无明显的气孔和裂纹。TiN呈等轴晶形貌;TiB呈针棒状组织形貌。当激光扫描速度为6mm/s情况下，随着激光功率的提高，熔覆层厚度、熔覆层的渗透深度、热影响区深度和熔覆宽度升高，而稀释率（γ）降低;熔覆层组织中TiN和TiB晶粒逐渐粗大，激光功率从600W→1000W→1400W→1800W功率变化时，TiB强化相变化呈现出未观测到明显相→细小絮状组织(尺寸大小约为15μm×100nm)→尺寸不均匀针棒状组织(尺寸范围为15μm×100nm∽20μm×1μm)→尺寸均匀针棒状组织(尺寸大小约为20μm×1μm)的变化规律。当激光功率为1400W，激光扫描速度从3mm/s增加至12mm/s过程中，随着激光扫描速度的增加，强化相尺寸减小。熔覆层顶部的TiB由均匀的针棒状组织（平均尺寸大小约为15μm×2μm）→团聚的须状组织(尺寸范围10μm×1μm～10μm×500nm)+针棒状组织→须状组织(尺寸大小为10μm×200nm)转变。由于获得的熔覆层组织存在较大的冷却速度差别，组织分布不均匀。送粉量对熔覆组织宏观形貌及显微组织影响不大。发现BN∶Ti的比例对形成TiN和TiB的形貌及分布状态具有很大的影响。在BN含量较低的情况下(BN∶Ti=1∶16)， TiN优先在晶内形核长大，TiB在晶界形核长大;随着BN含量的增多，TiB形核质点增多，当BN∶Ti的摩尔计量比为1∶4的情况下，TiB与TiN在熔覆层中均匀分布。B元素的含量对TiB的形核与长大起了重要的作用，当Ti与B满足TiB的化学计量比的情况下，发生了TiB的形核与长大。此外，细小粒度的BN作为原材料有利于获得均匀的熔覆组织;
发现Ti-BN体系在BN摩尔含量含量低于20％条件下，激光熔覆Ti-BN体系的凝固过程与平衡凝固过程完全不同，原位合成形成的硼化物强化相为TiB，未发现TiB2相。提出Ti-BN体系激光熔覆快速凝固过程中的凝固过程:(Ⅰ)粗大的初生TiN形核长大;(Ⅱ)液相与初生的TiN发生包晶反应，形成α-Ti;(Ⅲ)初生的TiB形核长大;(Ⅳ)最后液相发生共晶反应形成TiB+β-Ti;(Ⅴ)β-Ti向α-Ti转变;
分析了原位合成强化相TiN和TiB的组织特点及形成机理:原位合成的TiN为面心立方结构，点阵常数为a=0.4245nm，由于其界面能和原子结合能具有高度的各向同性的特点以及激光熔覆快速冷却的共同作用，导致形成的TiN为等轴晶形貌。在激光功率为1400W，扫描速度为6mm/s，BN∶Ti=1∶8条件下，针棒状TiB结构具有多样性，发现少量粗大的具有空心结构针棒状TiB，空心结构内部孔洞不规则，各处壁厚不均匀，为初生TiB;共晶的TiB呈现细小，实心的针棒状组织形貌。TiB为B27结构，点阵常数为α=0.628nm，b=0.312nm和c=0.461nm。TiB沿[010]方向生长速度最快，TiB的的堆垛层错面平行于(100)面。TiB可以以孪晶的方式形核和长大，原位合成TiB强化相与Ti之间为半共格关系。
系统研究了工艺参数对原位反应机理类型选择的影响。在激光功率越高、激光扫描速度越慢、BN含量越少以及BN粒度越小的情况下，原位合成形成陶瓷强化相颗粒均匀、弥散，反应机制主要由溶解-析出机制控制;激光功率越低、激光扫描速度越快、BN含量越大以及BN粒度越大的情况下，原位合成形成陶瓷强化相分布不均匀，并且在熔覆层顶部易出现“花朵状”组织，反应机制主要由溶解-析出机制和扩散机制共同控制;当BN∶Ti=1∶4，BN粒度10μm～30μm的条件下，激光热输入大于64.8W·h/m时，激光熔覆过程的反应机制为溶解-析出机制控制;激光热输入小于64.8W·h/m时，反应机制为溶解-析出机制和扩散机制共同控制;
研究激光熔覆条件下特征”花朵”形貌的形成机理。发现在Ti-3Al-2V基体上激光熔覆Ti-BN粉末沿激光入射方向存在明显组织差异。当激光功率较低、激光扫描速度快、BN含量高和BN粒度粗大的情况下，熔覆层中表层容易形成”花朵”状熔覆层组织，探索其形成机理如下:(1)Ti与BN发生液固-固反应，形成亚计量比的TiNx和TiBx，(2) Ti-BN反应过程中反应热量与输入的激光辐射能量共同作用促进了液相L的形成。(3)从BN上扩散出来的N和B原子进入到Ti的熔体中，在固相TiNx和TiBx表面异质形核形成TiN，TiN包围在TiNx和TiBx表面，并向熔体中排出B原子;(4)当Ti，B原子比例满足TiB的计量比的时候，形成了TiB或者是TiB和Ti的共晶体;
采用激光熔覆Ti-BN体系获得原位合成的TiB和TiN复合强化的涂层具有良好的硬度和抗磨损性能。随着激光功率的提高、激光扫描速度的降低、BN含量的增加，熔覆层中强化相分布均匀化程度升高，强化相体积含量增高，熔覆层的硬度呈上升趋势，熔覆层的最高硬度可达到1250HV0.5，是母材的5倍;耐磨性能呈上升的趋势。在相同的时间内，熔覆层的磨损高度损失量不到母材的1/2。母材的磨损机制主要为疲劳磨损，而熔覆层金属的磨损主要由疲劳磨损和磨粒磨损共同作用，磨粒磨损占主体作用。