CN108546893B - 氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，属于非晶合金表面改性技术领域。利用锆或钛元素与氮元素在高温等条件下的化学亲和性，通过在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在其表面非晶母相中引入氮化相（氮化锆或氮化钛），提升其表面硬度。本发明有效解决了现存激光辐照法对非晶合金表面处理导致其表面硬度显著降低的问题。通过改变激光辐照参数，方便地实现对非晶合金表面氮化相含量的调控，进而实现对其表面硬度的调控。本发明实施过程简单、效率高、实用性强，可应用于调控锆基或钛基非晶合金表面硬度，增强其功能应用。

Description

氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法
技术领域
本发明涉及非晶合金表面改性技术领域，特别涉及一种氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法。可应用于调控锆基或钛基非晶合金表面硬度，增强其功能应用。
背景技术
非晶合金由于具有长程无序结构，呈现出比常规晶态材料更为优异的力学、物理和化学性能，如高的硬度、强度、弹性，较低的弹性模量，优良的软磁性能，良好的耐磨性和耐腐蚀性等，受到科学界与工业界持续关注。尽管非晶合金是非常有潜力的结构和功能材料，但是在拉伸载荷作用下，由于单个或有限的几个剪切带快速扩展导致大多数非晶合金灾难性断裂，这一问题极大地限制了其实际应用。
针对该问题，研究人员提出了一些增强非晶合金拉伸塑性的方法。比如，在非晶合金中采用内生或外加的方式引入第二相（即制备非晶复合材料），阻止单剪切带的扩展，诱导多剪切带形成与交互，是提升其拉伸塑性的一种有效手段。然而，第二相的形成方式、分布形态、体积分数、尺寸大小、与基体的匹配关系等诸多因素，对非晶合金复合材料的最大形成尺寸、强度、塑性等参数和性能产生直接影响，针对特定成分的非晶合金需要仔细优化和控制。近几年，激光辐照法作为一种新颖的材料表面处理方法，被应用于调控非晶合金塑性变形，取得一些效果（如文献Optics & Laser Technology 75 (2015) 157–163等）。尽管激光辐照可以一定程度上增强非晶合金的塑性变形，但是由于辐照后表面产生更多的自由体积以及辐照亚表面可能产生预存在剪切带，使得激光辐照表面的硬度相对于未辐照表面显著降低，削弱了非晶合金高硬度、耐磨性的优势。所以，需要进一步发展非晶合金表面改性技术，实现提升其塑性变形能力的同时，不降低或者同步提升其表面硬度，以保持其力学性能的优越性，增强其应用领域和适用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，解决现存激光辐照法对非晶合金表面处理导致其表面硬度显著降低的问题。利用本发明提供的方法，通过在氮气氛围内开展激光辐照，在锆基或钛基非晶合金表面引入氮化相，一方面氮化相作为一种第二相，可以阻止单剪切带的扩展，诱导多剪切带形成与交互，有望提升其拉伸塑性；另一方面，氮化相本身相比非晶合金具有更高的硬度，其分布在非晶合金母相中，可有效提升其表面硬度。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，利用锆或钛元素与氮元素在高温等条件下的化学亲和性，在锆基或钛基非晶合金表面非晶母相中产生氮化相，即氮化锆或氮化钛，提升其表面硬度，具体步骤包括：
1）对锆基或钛基非晶合金表面进行研磨、抛光，并进行清洗和干燥；
2）利用纳秒激光器在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行逐线扫描，通过改变激光辐照参数，调控非晶合金表面氮化相含量，进而提升锆基或钛基非晶合金表面硬度。
所述的纳秒激光辐照工艺参数为：激光脉冲宽度为15.4ns，波长532nm，重复频率1kHz，光斑直径85μm，激光平均功率0.14W～0.70W，扫描速度1mm/s，相邻扫描线重叠率20%～85%，重复扫描次数1～50次，氮气压强0.05MPa～0.15MPa。
本发明的有益效果在于：通过在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在其表面引入氮化相（氮化锆或氮化钛），一方面为非晶合金表面引入第二相提供一种新方案，另一方面利用氮化相的引入提升非晶合金表面硬度。该方法有效解决了现存激光辐照法对非晶合金表面处理导致其表面硬度显著降低的问题。通过改变激光辐照参数，可实现对非晶合金表面氮化相含量的有效调控，进而实现对表面硬度的调控。该方法实施过程简单、效率高、实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的实施所用系统示意图；
图2为本发明的激光辐照路径示意图；
图3为氩气氛围内锆基非晶合金激光辐照后表面与原始表面压痕曲线与硬度对比；
图4为本发明的氮气氛围内锆基非晶合金激光辐照后表面与原始表面压痕曲线与硬度对比；
图5为本发明的氮气氛围内锆基非晶合金激光辐照后表面与原始表面压痕形貌对比；
图6为本发明的氮气氛围内锆基非晶合金激光辐照后表面与原始表面x射线衍射（XRD）对比结果。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2所示，本发明的氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，通过在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，利用锆或钛元素与氮元素在高温等条件下的化学亲和性，在锆基或钛基非晶合金表面非晶母相中产生氮化相（氮化锆或氮化钛），提升其表面硬度，具体步骤包括：
1）对锆基或钛基非晶合金表面进行研磨、抛光，并进行清洗和干燥；
2）利用纳秒激光器在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行逐线扫描（如图2所示），通过改变激光辐照参数，调控非晶合金表面氮化相含量，进而提升锆基或钛基非晶合金表面硬度。
进一步的，步骤2）中，所用的纳秒激光辐照工艺参数为：激光脉冲宽度为15.4ns，波长532nm，重复频率1kHz，光斑直径85μm，激光平均功率0.14W～0.70W，扫描速度1mm/s，相邻扫描线重叠率20%～85%，重复扫描次数1～50次，氮气压强0.05MPa～0.15MPa。其中，激光平均功率、扫描速度、相邻扫描线重叠率、重复扫描次数可通过计算机及软件方便地调节；氮气压强通过调节进气口氮气的流量可方便地控制。
实施例
以典型的锆基非晶合金（Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5）为例，分别在氩气和氮气氛围进行纳秒激光辐照，结合以下实施例进一步对比说明本发明的实施过程和有益效果。
图3是在激光平均功率为0.422W，扫描速度1mm/s，相邻扫描线重叠率47%，重复扫描次数1次，氮气压强0.05MPa时，进行锆基非晶合金表面纳秒激光辐照后，在抛光后的表面和原始表面进行纳米压痕试验获取的压痕曲线及其硬度值，可以看出，在氩气氛围内进行激光辐照后，表面硬度相比原始表面降低0.9GPa，降低14%，表明氩气氛围内激光辐照对锆基非晶合金表面产生严重的软化作用。
图4是在激光平均功率为0.580W，扫描速度1mm/s，相邻扫描线重叠率82%，重复扫描次数5次，氮气压强0.05MPa时，进行锆基非晶合金表面纳秒激光辐照后，在抛光后的表面和原始表面进行纳米压痕试验获取的压痕曲线及其硬度值，可以看出，在氮气氛围内进行激光辐照后，表面硬度相比原始表面增加2.2GPa，增加34%，表明氮气氛围内激光辐照对锆基非晶合金表面硬度起到重要的提升作用。
图5给出了图4试验条件下获取的残余压痕形貌与原始表面残余压痕形貌对比图，可以看出，在相同压痕载荷100mN时，氮气氛围内辐照表面获取的残余压痕尺寸较原始表面获取的残余压痕明显减小，进一步说明了氮气氛围内纳秒激光辐照对锆基非晶合金表面的硬化作用。
图6是在图4试验条件下获取的辐照表面抛光后与原始表面x射线衍射（XRD）对比结果，可以看出氮气氛围内激光辐照诱导锆基非晶合金表面产生了氮化锆相，这也是其产生表面硬化作用的原因。此外，图4中，相比原始表面的残余压痕，氮气氛围内辐照表面的残余压痕周围未出现剪切带，进一步说明，氮化锆相的引入对其表面微尺度塑性变形行为产生了重要影响，起到了第二相的作用。
从实例结果可以看出，利用本发明提出的方法，通过在氮气氛围内对锆基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，在其表面引入氮化锆相，可方便地提升其表面硬度。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，其特征在于：在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行纳秒激光辐照，利用锆或钛元素与氮元素在高温条件下的化学亲和性，在锆基或钛基非晶合金表面非晶母相中产生氮化相，即氮化锆或氮化钛，提升其表面硬度，具体步骤包括：
1）对锆基或钛基非晶合金表面进行研磨、抛光，并进行清洗和干燥；
2）利用纳秒激光器在氮气氛围内对锆基或钛基非晶合金表面进行逐线扫描，通过改变激光辐照参数，调控非晶合金表面氮化相含量，进而提升锆基或钛基非晶合金表面硬度。
2.根据权利要求1所述的氮气内激光辐照提升锆基或钛基非晶合金表面硬度的方法，其特征在于：所述的纳秒激光辐照工艺参数为：激光脉冲宽度为15.4ns，波长532nm，重复频率1kHz，光斑直径85μm，激光平均功率0.14W～0.70W，扫描速度1mm/s，相邻扫描线重叠率20%～85%，重复扫描次数1～50次，氮气压强0.05MPa～0.15MPa。
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