專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦及鈦合金的表面改性，特別涉及ー種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、耐蝕性好、低溫韌性?xún)?yōu)良、高溫機(jī)械性能好和生物相容性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)以及其他民用エ業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鈦及鈦合金的表面硬度較低，化學(xué)活性較大，在滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦性能較差，特別是摩擦和磨損抗カ相當(dāng)?shù)?，?yán)重地限制了其應(yīng)用。因此，進(jìn)ー步提高鈦及鈦合金的耐磨、抗高溫氧化以及耐腐蝕等表面性能就成了亟需解決的問(wèn)題。除改進(jìn)合金的成分和制備エ藝外，對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性是目前最有效的方法，因此鈦合金表面改性技術(shù)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。氮化鈦由于具有高熔點(diǎn)、高硬度、高溫化學(xué)穩(wěn)定性、高耐磨性及優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、光學(xué)性能、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行表面改性時(shí)往往是在其表面制備ー層氮化鈦涂層。目前，在鈦及鈦合金表面制備氮化鈦涂層的方法主要有傳統(tǒng)滲氮、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、離子注入以及激光表面改性等。傳統(tǒng)滲氮包括氣體滲氮、鹽浴滲氮、離子滲氮等方法。氣體滲氮具有設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，適用面廣，可用于各種形狀復(fù)雜的零部件，且エ藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)；但是其存在周期長(zhǎng)、溫度高、滲層薄、組織難以控制以及需要對(duì)エ件整體長(zhǎng)期加熱等缺點(diǎn)。離子滲氮相比氣體滲氮存在滲氮速度快，滲氮層組織易控制、脆性小，滲氮在生成表面硬化層之后不必再進(jìn)行淬火等エ序故樣品變形小等優(yōu)點(diǎn)；但該技術(shù)也存在著耐磨性低、耐磨層薄，處理周期長(zhǎng)，組織難于靈活控制等缺點(diǎn)，又限制了其應(yīng)用范圍。物理氣相沉積所需溫度低，エ件變形小，基體內(nèi)部不被軟化，最為適宜對(duì)精度要求很高的鈦合金工件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。但與CVD法相比，PVD法形成的涂層較薄，一般在I 3 μ m，與基體的粘著牢度稍低，且繞鍍性較差?；瘜W(xué)氣相沉積相對(duì)于PVD方法具有成膜速度快、鍍膜繞射性好、鍍層純度高、結(jié)晶完全、沉積表面光滑、輻射損傷低等特點(diǎn)。但是由于裝置需要高溫度、高真空等環(huán)境條件的要求，因而其推廣應(yīng)用受到了很大的限制。離子注入能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫エ藝(可防止原來(lái)雜質(zhì)的再擴(kuò)散等)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)(以減小電容效應(yīng))；但是由于離子注入得到的氮化層較淺且離子注入技術(shù)成本較高等問(wèn)題，又限制了其應(yīng)用。目前對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行激光氮化的方法主要是脈沖激光誘導(dǎo)氣體氮化和激光氣體氮化方法。脈沖激光誘導(dǎo)氮化只有當(dāng)脈沖次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值、激光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，表面才會(huì)出現(xiàn)金黃色，這種方法的效率太低不適合大面積處理。激光氣體氮化屬于激光表面氣體合金化，它是利用激光輻照鈦及鈦合金表面時(shí)引入氮?dú)?，形成高硬度、耐磨損的氮化層，它具有氮化層/基材界面成冶金結(jié)合，熱影響區(qū)小，エ件變形?。豢梢跃植考訜?，無(wú)接觸加エ，制備所需時(shí)間短，氮化層深(可達(dá)幾百微米)可控等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在表面粗糙度大，易產(chǎn)生裂紋，エ件易變形等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用預(yù)熱、加變質(zhì)劑、超聲波震蕩和激光掃描的復(fù)合エ藝，解決了傳統(tǒng)激光氣體氣化時(shí)易廣生裂紋、表面粗糖度大、基體易變形和氣化層晶粒粗大的缺點(diǎn)，提聞了欽及鈦合金的硬度，改善了其耐磨耐蝕性能。本發(fā)明提供了ー種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，首先對(duì)エ件基體進(jìn)行表面清潔處理、表面黑化處理和預(yù)熱處理，然后再進(jìn)行激光氮化處理，其特征在于激光氮化處理是在填充反應(yīng)氣體條件下，同時(shí)進(jìn)行エ件基體表面激光掃描處理和超聲波震蕩處理。本發(fā)明所述的對(duì)エ件基體激光掃描處理和超聲波震蕩處理的具體措施是將エ件放在半密閉載物臺(tái)上，將半密閉容器放在超聲波震蕩發(fā)生器里，先向半密閉容器通入反應(yīng)氣體一段時(shí)間，然后對(duì)エ件同時(shí)進(jìn)行激光掃描處理和超聲波震蕩處理使其形成氮化鈦梯度 涂層，關(guān)閉激光，再停止超聲波震蕩和氣體輸入。本發(fā)明所述的對(duì)エ件基體表面進(jìn)行激光掃描處理的具體エ藝參數(shù)為激光功率500 3000W,掃描速度500 5000mm/min,光斑尺寸Φ 2mm 5mm。本發(fā)明所述的反應(yīng)氣體為N2和Ar的混合氣體，N2所占含量為50 100%，氣體流量為10 300L/h。本發(fā)明所述的表面黑化處理為在基體表面噴涂O. 03 O. Imm厚的添加變質(zhì)劑的SiO2吸光涂料。本發(fā)明所述的表面黑化處理時(shí)噴涂的SiO2吸光涂料中的變質(zhì)劑為鋁和釩粉末，質(zhì)量比為3 2。本發(fā)明所述的エ件基體的預(yù)熱處理為將基體加熱到100 300°C。本發(fā)明提供了ー種具有硬度高、耐磨耐蝕性能良好的鈦及鈦合金表面氮化鈦梯度涂層，由氮化物層和氮擴(kuò)散層組成，其中，氮化物層厚度約3 10 μ m，氮擴(kuò)散區(qū)厚度約30 200 μ m。本發(fā)明提供的氮化鈦梯度涂層具有如下特點(diǎn)I、無(wú)氣孔、裂紋等缺陷；2、涂層表面粗糙度低、晶粒細(xì)小；3、硬度較基體有很大提聞；4、涂層組織和硬度隨至表面距離的變化而均勻變化；5、表面耐磨性較基體得到大幅度提高，降低了滑動(dòng)磨損和粘著磨損的程度；6、在還原性介質(zhì)中的耐蝕性較基體有了很大提高，抗點(diǎn)蝕能力提高。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果實(shí)驗(yàn)方法具有操作簡(jiǎn)便、可以局部加熱，無(wú)接觸加工，制備所需時(shí)間短，氮化鈦梯度涂層層深(可達(dá)幾百微米)可控等優(yōu)點(diǎn)。激光掃描處理后形成的氮化鈦梯度涂層與基體間沒(méi)有明顯界限，涂層組織均勻過(guò)渡，因此其結(jié)構(gòu)緊密，涂層與基體結(jié)合能力強(qiáng)。經(jīng)檢測(cè)，氮化鈦梯度涂層晶粒細(xì)小、沒(méi)有氣孔、裂紋等缺陷，涂層質(zhì)量良好，表面粗糙度低。經(jīng)硬度測(cè)量可知，氮化鈦梯度涂層硬度提高很大，且硬度隨至表面距離的變化均勻變化。經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)得出，氮化鈦梯度涂層摩擦系數(shù)和磨痕深度都較小，并且其結(jié)構(gòu)緊密，具有良好的抗摩擦及減摩潤(rùn)滑的作用，耐磨性提高5 10倍。采用M283恒電位儀與M352測(cè)試分析軟件對(duì)鈦合金激光氣體氮化鈦梯度涂層和基體進(jìn)行耐蝕性的測(cè)試與對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)氮化鈦梯度涂層比基體耐蝕性提高10 20倍。


圖I為鈦及鈦合金激光掃描處理和超聲波震蕩處理實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖中I、激光器，2、氣體充填器，3、超聲波震蕩發(fā)生器，4、帶有載物臺(tái)，5、半封閉容器，6、激光束，7、エ件。圖2為激光掃描處理后得到的鈦及鈦合金表面氮化鈦梯度涂層剖面示意圖。
圖中(a)表示氮化物層，(b)表示氮擴(kuò)散區(qū)，(C)表示熱影響區(qū)，(d)表示鈦及鈦合
金基體。圖3為大面積搭接氮化鈦梯度涂層的無(wú)損探傷圖，經(jīng)過(guò)探傷表明，氮化鈦梯度涂層無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，涂層質(zhì)量良好。圖4為激光掃描處理后試樣截面硬度隨該點(diǎn)距離表層深度的變化圖。圖5為激光掃描處理后試樣和未處理試樣的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)示意圖。
具體實(shí)施例方式對(duì)4mm厚TA2薄板進(jìn)行激光處理,具體步驟如下I、首先將鈦合金基體表面打磨干凈，并用丙酮擦洗去油；2、對(duì)清潔處理后的基體噴涂O. 03 O. Imm厚的添加鋁和釩粉末做變質(zhì)劑的SiO2吸光涂料；3、將黑化處理后的基體預(yù)熱到100 300°C ；4、將預(yù)熱的基體放在充入反應(yīng)氣體的半密閉容器中，進(jìn)行激光掃描處理，同時(shí)進(jìn)行超聲波震蕩處理，具體實(shí)施步驟為將試樣放在半密閉載物臺(tái)上，將半密閉容器放在超聲波震蕩發(fā)生器里，先向半密閉容器通入反應(yīng)氣體一段時(shí)間，使用大功率激光器對(duì)試樣進(jìn)行激光掃描處理使其直接形成金黃色氮化鈦梯度涂層，關(guān)閉激光，再停止氣體輸入。5、激光掃描處理的具體エ藝參數(shù)為光斑尺寸Φ2πιπι 5mm，功率500 3000W，掃描速度500 5000mm/min，反應(yīng)氣體為N2和Ar的混合氣體，N2所占含量為50 100%，氣體流量為10 300L/h。處理后得到氮化鈦梯度涂層，涂層可以分為氮化物層和氮擴(kuò)散層，涂層組織過(guò)渡均勻。對(duì)氮化鈦梯度涂層表面探傷發(fā)現(xiàn)，氮化梯度涂層無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，質(zhì)量良好，探傷圖如圖4所示。激光氣體氮化后氮化鈦梯度涂層厚度約為50 200 μ m。經(jīng)過(guò)儀器檢測(cè)，激光處理后得到的氮化鈦梯度涂層的硬度最高為1020HVa2，氮擴(kuò)散層硬度次之，熱影響區(qū)的硬度也較TA2基體有所提高，基體硬度為230HVa2，表明激光處理可以顯著提高TA2表面硬度，進(jìn)而提高耐磨性，氮化鈦梯度涂層硬度變化如圖5所示。經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)得出，該氮化鈦梯度涂層表面摩擦系數(shù)、磨痕深度等都很小，具有良好的抗摩擦及減摩潤(rùn)滑的作用，耐磨性提高約5 10倍。 經(jīng)耐蝕性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光處理后的TA2試樣自腐蝕電位比基體高出約66mV，說(shuō)明激光處理可以明顯降低TA2的自腐蝕傾向，這主要是由于TiN的自腐蝕電位比較高，起到保護(hù)作用。TA2表面氮化鈦梯度涂層動(dòng)電位極化曲線(xiàn)較基體動(dòng)電位極化曲線(xiàn)明顯左移，如圖6所示。分析 知其維鈍電流密度是基體的52%，且其曲線(xiàn)較穩(wěn)定，故耐局部腐蝕和均勻腐蝕能力以及鈍態(tài)穩(wěn)定性都要好于TA2基體。經(jīng)計(jì)算，耐蝕性大概提高10 20倍。
權(quán)利要求
1.ー種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，首先對(duì)エ件基體進(jìn)行表面清潔處理、表面黑化處理和預(yù)熱處理，然后再進(jìn)行激光氮化處理，其特征在于激光氮化處理是在填充反應(yīng)氣體條件下，同時(shí)進(jìn)行エ件基體表面激光掃描處理和超聲波震蕩處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的對(duì)エ件基體激光掃描處理和超聲波震蕩處理的具體措施是將エ件放在半密閉載物臺(tái)上，將半密閉容器放在超聲波震蕩發(fā)生器里，先向半密閉容器通入反應(yīng)氣體一段時(shí)間，然后對(duì)エ件同時(shí)進(jìn)行激光掃描處理和超聲波震蕩處理使其形成氮化鈦梯度涂層，關(guān)閉激光，再停止超聲波震蕩和氣體輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的對(duì)エ件基體表面進(jìn)行激光掃描處理的具體エ藝參數(shù)為激光功率500 3000W,掃描速度500 5000mm/min,光斑尺寸Φ 2mm 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的反應(yīng)氣體為N2和Ar的混合氣體，N2所占含量為50 100%，氣體流量為10 300L/h。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的表面黑化處理為在基體表面噴涂O. 03 O. Imm厚的添加變質(zhì)劑的SiO2吸光涂料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的表面黑化處理時(shí)噴涂的SiO2吸光涂料中的變質(zhì)劑為鋁和釩粉末，質(zhì)量比為3 2。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，其特征在于，所述的エ件基體的預(yù)熱處理為將基體加熱到100 300°C。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法，首先對(duì)工件基體進(jìn)行表面清潔處理、表面黑化處理和預(yù)熱處理，然后再進(jìn)行激光氮化處理，其特征在于激光氮化處理是在填充反應(yīng)氣體條件下，同時(shí)進(jìn)行工件基體表面激光掃描處理和超聲波震蕩處理。本發(fā)明可以在鈦及鈦合金表面得到一層氮化鈦梯度涂層，涂層厚度為50～200μm，氮化鈦梯度涂層主要由氮化物層和氮擴(kuò)散層組成，組織過(guò)渡均勻，表面硬度、耐磨性和耐蝕性較基體顯著提高，并解決了普通激光氣體氮化易產(chǎn)生裂紋、表面粗糙度大、氮化層樹(shù)枝晶晶粒粗大的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C23C8/02GK102676981SQ20111005271
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者付現(xiàn)橋, 孫豐收, 孫寧姣, 張成忠, 李鵬, 王勇, 王永剛, 韓彬 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東), 山東萬(wàn)豐煤化工設(shè)備制造有限公司