CN109295453A - 一种钢表面制备氮化钛涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，该方法通过采用激光振镜扫描的方式，首先熔覆得到钛合金过渡层，然后在钛合金过渡层上进行气体氮化，在2Cr13叶片表面成功制备得到硬度高、耐磨耐蚀的氮化钛涂层；本发明利用激光振镜扫描速度快，加工精度高的优点，结合激光熔覆与激光气体氮化技术在2Cr13表面制备出形貌良好、组织均匀的氮化钛涂层，达到了提高2Cr13叶片表面硬度、耐磨耐蚀性能的目的。

Description

一种钢表面制备氮化钛涂层的方法

(一)技术领域

本发明涉及叶片用钢表面改性工艺方法，具体涉及一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，所述方法适用于2Cr13叶片表面氮化钛涂层的制备，可以大幅度提高2Cr13表面的硬度、耐磨损、耐汽蚀性能。

(二)背景技术

随着火电行业汽轮机装机容量逐步扩大，作为汽轮机核心部件之一的叶片，如何保证其高效安全的长时间工作显得尤为重要。叶片表面直接暴露在高温、高湿、高压、腐蚀、振动等极端恶劣环境下，长时间运行容易出现冲刷腐蚀、磨损破坏、点蚀、汽蚀等损伤。因此，通过表面强化技术提高叶片表面的耐磨耐蚀能力具有积极意义。

采用传统的喷丸强化技术对叶片进行表面强化处理，可以在一定程度上提高叶片表面的硬度及耐磨性。但是喷丸处理可能造成表面粗糙度增加，萌生细小裂纹，产生隐患。超音速火焰喷涂可以在叶片表面形成耐磨耐蚀涂层，但在实际高速运转中可能因喷涂涂层与基体结合不良，出现喷涂涂层脱落，导致严重生产事故。其他如电镀、表面淬火、焊接硬质合金片等方法往往都存在一些不足，诸如设备昂贵、生产周期长、污染环境等，不适合用于大型汽轮机叶片的表面强化，因此急需一种新的表面强化技术以提高汽轮机叶片表面的硬度、耐磨耐蚀性能。

常见的钢的氮化处理分为离子氮化、液体氮化、气体氮化。离子氮化作为一种新型的氮化技术，具有渗入速度快、氮化质量好的优点。但是离子氮化对离子氮化炉的制造工艺、氮化材料、操作人员素质要求较高，短时间内难以得到广泛应用；液体氮化处理的氮化层具有硬而不脆的优点，表面氮化层具有一定韧性。但是液体氮化后的氮化层厚度比较薄，而且目前液体氮化过程中的熔盐反应会产生毒性，对操作人员健康造成危害，生产后的废液处理成本巨大；传统的气体氮化需要将工件放在一个通满氨气的密闭空间中高温保温十几个小时，目前存在的问题就是氮化时间太长，效率不高，而且氮化炉结构复杂，操作难度高。钛的氮化物具有高硬度、耐磨、导热、导电性能优异等特点，因而在钛合金中间涂层表面进行氮化处理获得氮化物涂层，能够大幅度提高钢铁材料表面的硬度，耐磨抗蚀性能。

扫描振镜作为一种高速度、低惯量的扫描器件，在金属焊接领域已经得到了广泛的应用。在气体氮化过程中，通过振镜扫描，不仅能实现快速扫描，提高氮化效率，而且能实现高精度扫描，降低单道扫描起始与结束阶段热输入量不均匀的问题。本发明所述的激光器均配备振镜扫描系统，在激光熔覆制备钛合金中间涂层以及随后的氮化过程都采用振镜扫描方式对待处理区域进行激光扫描。本发明采用激光熔覆技术，通过优化工艺参数在2Cr13表面制备得到组织致密，与基体结合强度优异的钛合金中间涂层。钛合金中间涂层将作为后续钛合金激光气体氮化的过渡层，从而获得一种在钢表面制备氮化钛涂层的新方法。

(三)发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种钢表面制备氮化钛涂层的方法。该方法利用激光熔覆钛合金涂层在2Cr13叶片表面进行激光气体氮化处理。通过振镜扫描的方式，实现激光熔覆与激光气体氮化过程快速化和精确化，在2Cr13表面制备出组织均匀的氮化钛涂层，大幅度提高了2Cr13表面的硬度和耐磨耐蚀性能。

本发明的技术方案如下：

一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，所述方法为：

对钢基体表面待处理区域进行预处理，然后进行铺粉工作，所铺粉末为纯钛粉末(牌号TA2，可通过常规途径商购获得)，单层铺粉厚度为0.1mm，共铺粉两层，之后采用多功能连续波激光器对铺粉后的待处理区域依次进行第一阶段激光熔覆、第二阶段激光气体氮化，完成钢表面氮化钛涂层的制备；

所述第一阶段激光熔覆的工艺参数为：激光功率400～500W；激光扫描速度200～300mm/s；单道扫描宽度2～3mm；扫描间距0.06～0.08mm；同时采用氩气(纯度99.99％)作为保护气体，流量控制在25～30L/min；第一阶段激光熔覆在钢基体表面待处理区域得到钛合金过渡层；

所述第二阶段激光气体氮化的工艺参数为：激光功率300～400W；激光扫描速度100～200mm/s；单道扫描宽度2～3mm；扫描间距0.06～0.08mm；激光气体氮化过程中采用氮气(纯度99.99％)和氩气(纯度99.99％)的混合气体作为氮化和保护气体，氮气与氩气的流量比控制在0.3～0.6：1，总流量控制在15～30L/min；第二阶段激光气体氮化在第一阶段所得钛合金过渡层上制备出氮化钛涂层。

本发明中，所述钢基体例如为2Cr13。

所述多功能连续波激光器例如为500W光纤激光器，所述500W光纤激光器配备振镜扫描系统，在第一阶段激光熔覆过程中，采用振镜扫描系统对钢基体待处理区域进行扫描，扫描策略为：每次扫描一个2～3mm的短边，然后以30％搭接率多道搭接成一个单道，单道之间再以50％搭接率进行搭接，最终得到整个待处理区域的钛合金过渡层。

具体的，所述钢基体表面待处理区域的预处理方法为：依次用400#、800#砂纸打磨待处理区域以去除表面氧化层，接着将钢基体浸没于乙醇并在超声波清洗机中清洗，取出吹干完成预处理。

所述第一阶段激光熔覆得到的钛合金过渡层厚度为200～300μm，第二阶段激光气体氮化得到的氮化钛涂层厚度为170～220um，氮化深度基本到达钛合金过渡层与基体的界面。

本发明所得氮化钛涂层的最高硬度达到900HV_0.2，沿氮化钛涂层纵截面硬度值均在500HV_0.2以上。

本发明的有益效果在于：本发明通过采用激光振镜扫描的方式，首先熔覆得到钛合金过渡层，然后在钛合金过渡层上进行气体氮化，在2Cr13叶片表面成功制备得到硬度高、耐磨耐蚀的氮化钛涂层。本发明利用激光振镜扫描速度快，加工精度高的优点，结合激光熔覆与激光气体氮化技术在2Cr13表面制备出形貌良好、组织均匀的氮化钛涂层，达到了提高2Cr13叶片表面硬度、耐磨耐蚀性能的目的。

(四)附图说明

图1为本发明方法原理示意图；

图2为本发明方法装置示意图。

(五)具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，对本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，具体操作步骤如下：

(1)对钢基体2Cr13表面待处理区域进行预处理：依次用400#、800#砂纸打磨待处理区域以去除表面氧化层，接着将钢基体浸没于乙醇并在超声波清洗机中清洗30min，取出吹干完成预处理。

(2)激光熔覆处理制备钛合金过渡层

在基体表面待处理区域铺纯钛粉末(牌号TA2)，单层铺粉厚度为0.1mm，实施过程中共铺粉两层。铺粉完成后将基体安装在工作平台上，关闭气氛保护装置并进行抽真空，排尽保护装置内空气，避免在熔覆过程中钛合金发生氧化。可采用氧氮分析仪对气氛保护装置内氧气含量进行监控，确保氧含量不会对熔覆过程产生不良影响。接着采用500W光纤激光器(购自IPG光纤激光技术有限公司，配备振镜扫描系统)按照如下工艺参数和扫描策略，在铺粉完成的待处理区域进行激光熔覆处理。

激光熔覆的工艺参数为：激光功率500W；激光扫描速度200mm/s；单道扫描宽度2mm；扫描间距0.06mm；同时采用氩气(纯度99.99％)作为保护气体，流量控制在25L/min。

在激光熔覆过程中，采用振镜扫描系统对钢基体待处理区域进行扫描，扫描策略为：每次扫描一个2mm的短边，然后以30％搭接率多道搭接成一个单道，单道之间再以50％搭接率进行搭接，最终得到整个待处理区域的钛合金过渡层。所得钛合金过渡层厚度为200μm。

(3)激光气体氮化处理制备氮化钛涂层

步骤(2)钛合金过渡层制备完成后，对气氛保护装置重新进行抽真空，接着采用500W光纤激光器按照如下工艺参数进行激光气体氮化处理。

激光气体氮化的工艺参数为：激光功率300W；激光扫描速度200mm/s；单道扫描宽度2mm；扫描间距0.06mm；激光气体氮化过程中采用氮气(纯度99.99％)和氩气(纯度99.99％)的混合气体(同轴输送)作为氮化和保护气体，氮气与氩气的流量比控制在0.4：1，总流量控制在25L/min。得到的氮化钛涂层厚度为170um。

通过实施例的分析数据可知，采用本发明所述的激光熔覆和激光气体氮化相结合的技术，能够在2Cr13表面成功制备出大面积、硬度高、耐磨耐蚀性能优异的氮化钛涂层。氮化层基本能够贯穿整个钛合金中间涂层，厚度达到170μm。氮化层的最高硬度达到900HV_0.2，沿氮化层纵截面硬度值均在500HV_0.2以上。并且氮化层与叶片几何线型契合度高，表面质量好，简单表面处理后即可装机运行，真正实现了快速而高效的表面强化处理。

对比例

制备工艺：

通过等离子复合渗镀合成氮化钛的方法在钢表面生成氮化钛膜层。该工艺方法具体为首先在钢表面进行离子渗钛，形成离子扩散层，在渗钛保温结束之后，通入一定比例的氮气，在氮气环境下，进行渗氮和氮化钛的复合渗镀过程。复合渗镀过程中：部分氮离子和氩离子参与钛丝的溅射，部分氮原子与钛原子利用辉光放电溅射、针状钛丝的尖端放电在试样表面形成氮化钛沉积层,有些氮原子渗入表层中,使得其中的钛原子与氮原子形成氮化钛颗粒。

工艺参数：渗氮和复合渗镀过程中真空度：30-35Pa，试样电压：300-350V，试样电流：1.5-3A，工作气体：前期Ar，后期Ar和N₂(100:6)，渗钛时间：3h，复合渗镀时间2h，渗钛温度与复合渗镀温度分别为850℃、920℃、1020℃。

产品性能：

形成的氮化钛组织由表及里分别由氮化钛沉积层、氮化钛颗粒、基体扩散层组成。表面沉积的氮化层厚度为1-3μm。

对比：

相较于对比例所采用的钢表面氮化工艺,本发明采用的激光熔覆复合激光气体氮化技术不仅在工序复杂度上大大降低，而且操作时间短，相比于对比例中长达数小时的渗镀时间，本发明的技术方法在振镜扫描系统的配合下，无须长时间的高温处理，本发明较于对比例制备工艺更加简单，生产环境要求更低，单次氮化操作时间更短，效率更高；从产品性能出发，本发明制备的氮化钛的厚度达到170μm，远高于对比例中通过渗镀工艺达到的1-3μm，这对于通过制备氮化钛涂层提高钢表面耐磨耐蚀性能来说，是一个巨大的提升，使得通过本发明在表面制备了氮化钛涂层的钢制件具有更加广阔的应用空间。

Claims (6)

1.一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，其特征在于，所述方法为：

对钢基体表面待处理区域进行预处理，然后进行铺粉工作，所铺粉末为纯钛粉末，单层铺粉厚度为0.1mm，共铺粉两层，之后采用多功能连续波激光器对铺粉后的待处理区域依次进行第一阶段激光熔覆、第二阶段激光气体氮化，完成钢表面氮化钛涂层的制备；

所述第一阶段激光熔覆的工艺参数为：激光功率400～500W；激光扫描速度200～300mm/s；单道扫描宽度2～3mm；扫描间距0.06～0.08mm；同时采用氩气作为保护气体，流量控制在25～30L/min；第一阶段激光熔覆在钢基体表面待处理区域得到钛合金过渡层；

所述第二阶段激光气体氮化的工艺参数为：激光功率300～400W；激光扫描速度100～200mm/s；单道扫描宽度2～3mm；扫描间距0.06～0.08mm；激光气体氮化过程中采用氮气和氩气的混合气体作为氮化和保护气体，氮气与氩气的流量比控制在0.3～0.6：1，总流量控制在15～30L/min；第二阶段激光气体氮化在第一阶段所得钛合金过渡层上制备出氮化钛涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢基体为2Cr13。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯钛粉末为TA2。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多功能连续波激光器为500W光纤激光器，所述500W光纤激光器配备振镜扫描系统。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在第一阶段激光熔覆过程中，采用振镜扫描系统对钢基体待处理区域进行扫描，扫描策略为：每次扫描一个2～3mm的短边，然后以30％搭接率多道搭接成一个单道，单道之间再以50％搭接率进行搭接，最终得到整个待处理区域的钛合金过渡层。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢基体表面待处理区域的预处理方法为：依次用400#、800#砂纸打磨待处理区域以去除表面氧化层，接着将钢基体浸没于乙醇并在超声波清洗机中清洗，取出吹干完成预处理。