CN110904404B - 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置 - Google Patents

基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置，本发明方法是在激光气体氮化时，同步采用高速喷射的弹丸流对尚未完全冷却的氮化层表面进行敲击，使氮化层内部产生残余压应力，以抵消氮化过程中由于受热不均匀产生的热拉应力，改善氮化层内部的应力状态，从而避免氮化层开裂；本发明在优化工艺参数的基础上，改进试验装置，将激光氮化技术和喷丸技术相结合，有效改善了激光氮化过程中氮化层内部的应力状态，制备出无裂纹的氮化层；本发明利用喷丸强化时载气在试样表面形成的一层稳定的层流，作为激光气体氮化时所需的反应气体，这使得整个强化过程可以在开放环境下进行，无需气密装置，成本低，效率高，易于工业化。

Description

基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与 装置
技术领域
本发明涉及钛合金表面改性技术领域，提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置，适用于解决激光氮化工艺当中氮化层易开裂的问题，以提高氮化层质量。
背景技术
钛合金具有密度低、耐腐蚀、生物相容性好等优点。广泛应用于航空航天、船舶、石油、医疗器械等国防民用高科技领域。但钛合金硬度低，耐磨性差，使用温度低。当温度达到500℃时，钛金属能与大气中的氧、氮等元素发生强烈反应，并迅速发生脆性破坏。这些缺点极大地限制了钛合金的应用。为了弥补钛合金的缺陷，在钛合金表面制备防护涂层是一种有效的方法。涂层不仅能提高钛合金的表面硬度，而且能有效降低摩擦系数，提高使用温度。
20世纪80年代以来，国内外利用各种激光器在钛合金表面制备出了氮化钛涂层。然而，激光氮化过程复杂，影响参数众多，包括激光工艺参数、试样状态等，目前关于氮化工艺的研究尚处于氮化层的结构和性能分析、工艺优化等阶段，离真正广泛的实际生产应用尚有很大的距离。激光氮化工艺目前面临的主要缺陷就是氮化层易开裂。在激光氮化的Ti-6Al-4V表面上存在两种类型的裂纹：激光熔凝过程中积累的拉伸应力诱变产生的宏观裂纹；与TiN的固有脆性有关的微裂纹。根据裂纹的形成原因，抑制或减少裂纹的有效方法可以分为以下三种：
(1)通过调整工艺参数可获得质量较好的表面氮化层，优化激光工艺参数可减少或消除激光氮化层的开裂。
(2)使用高纯氮气进行保护有助于提高表面硬度及防止表面氧化和污染问题，但却造成了涂层的开裂及裂纹的产生。鉴于这一问题，需要稀释氮气，以制备与基体结合良好又兼顾其性能的复合涂层。
(3)通过不断改进实验设备来进行相应的预处理和后处理，以降低或减少实验中产生的缺陷。
本发明中的工艺方法同样体现了上述三种方法。在优化工艺参数的基础上，使用一定比例的氮氩混合气体，同时改进试验装置，将激光氮化技术和传统喷丸技术相结合，制备出无裂纹的氮化层。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置。本发明方法是在激光气体氮化时，同步采用高速喷射的弹丸流对尚未完全冷却的氮化层表面进行敲击，使氮化层内部产生残余压应力，以抵消氮化过程中由于受热不均匀产生的热拉应力，改善氮化层内部的应力状态，从而避免氮化层开裂。
本发明的技术方案如下：
一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法，包括：
将经过预处理的钛合金样板装夹在工作台上，在加工开始之前，调整激光光斑中心到喷丸区域中心的距离为10～30mm，检查各项参数设置无误后，打开喷丸器，待样板表面气流平稳后，开启激光扫描，在机床的带动下，激光氮化与喷丸强化同步进行，最终在钛合金表面制得TiN涂层(原理如图2所示)；
各项参数设置范围如下：弹丸直径200～600μm，喷嘴高度50～120mm，激光功率1000～2000w，扫描速度5～20mm/s，喷丸的载气为氮氩混合气体，混合气体中氮气的体积分数为30％～100％，气体流速10～20m3/min；
所述钛合金例如为TC4钛合金；
钛合金样板预处理的方法为：将钛合金样板用砂轮打磨去除表面的氧化层和油污层，再将打磨后的样板用腐蚀液腐蚀5～8min，之后用清水冲洗2～3min，擦干后再用无水乙醇清洗，风干即可；所述腐蚀液配方为HNO3：HF：H2O＝2：1：17(质量比)，使用去离子水配置；
在加工开始之前，需要对激光光斑进行定位调整，原因是在同步强化过程中，由于激光氮化所需的反应气体由喷丸载气提供，激光光斑相对于喷丸强化区域的位置会直接影响氮化区域表面气体的流动状态，为了使基体表面的气体形成层流，需要对光斑的位置进行定位调整，光斑定位是通过调整激光光束与喷丸方向(竖直)的夹角α实现的(原理如图1所示)；
喷丸器喷射的弹丸为陶瓷丸，弹丸型号为CZ30，直径为0.30mm。在喷丸强化的同时，弹丸的载气会在试样表面形成一层稳定的气体层流，这为激光氮化提供了反应气体，钛合金表面经过激光氮化处理后，喷丸紧随其后对氮化层进行机械强化，最终制得大厚度无裂纹的TiN涂层。
本发明还提供了一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的专用装置，包括：激光器、气动式喷丸器和三轴数控机床；气动式喷丸器的喷头垂直固定在三轴数控机床的Z向导轨上，喷嘴离基体表面的距离可通过机床调整；激光器的激光头通过定制夹具与气动式喷丸器的喷头连接并形成夹角α，可以手动调整夹角α大小从而改变光斑位置，夹角α范围为0°～30°；
所述激光器为光纤激光器，光斑直径为4mm；
所述喷丸器为气动喷丸器，喷嘴直径为6mm。
相比于现有技术，本发明的突出优点在于：
(1)本发明在优化工艺参数的基础上，改进试验装置，将激光氮化技术和传统喷丸技术相结合，有效改善了激光氮化过程中氮化层内部的应力状态，制备出无裂纹的氮化层。
(2)本发明利用喷丸强化时载气在试样表面形成的一层稳定的层流，作为激光气体氮化时所需的反应气体，这使得整个强化过程可以在开放环境下进行，无需气密装置，成本低，效率高，易于工业化。
附图说明
图1为本发明基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置示意图；
其中，1-Z向导轨，2-气动式喷丸喷头，3-定制夹具，4-激光头，5-X向导轨，6-Y向导轨，7-导轨支架，8-机床底座，a-高压气体，b-TiN涂层，c-钛合金基体。
图2为本发明基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺示意图。
具体实施案例
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置包括：激光器、气动式喷丸器和三轴数控机床；气动式喷丸器的喷头2垂直固定在三轴数控机床的Z向导轨1上，喷嘴离基体表面的距离可通过机床调整；激光器的激光头4通过定制夹具3与气动式喷丸器的喷头2连接并形成夹角α，可以手动调整夹角α大小从而改变光斑位置，夹角α范围为0°～30°。
实施例1
(1)试样预处理：钛合金经过线切割加工成120mm×40mm×10mm的样板，经过砂轮打磨去除样板表面的氧化层和油污层，配置腐蚀液对打磨后的样板腐蚀5min，到时用清水冲洗2min，擦干后用无水乙醇进一步清洗，风干即可。
(2)光斑定位：在加工开始之前，需要对激光光斑进行定位调整，光斑中心到喷丸区域中心的距离调整为10mm。
(3)同步强化：将预处理过的钛合金样板装夹在工作台上，各项参数设置为：弹丸直径为200μm，喷嘴高度为50mm，激光功率为1000w，扫描速度为10mm/s，氮氩混合气体中氮气的体积分数为30％，气体流速为10m3/min。各项参数检查无误后，打开喷丸器，待试样表面气流平稳后，开启激光扫描，在机床的带动下，激光氮化与喷丸强化同步进行，最终在钛合金表面制得大厚度无裂纹的TiN涂层。
通过金相显微镜观察涂层横截面发现，鱼骨状的TiN枝晶在涂层内分布均匀且致密，厚度均匀，达1.2mm～1.5mm，并无发现明显裂纹。经过显微硬度仪检测，处理后得到的TiN涂层的表面硬度较基体提高2倍，同时硬度提高100HV的深度达0.8～1.2mm。
实施例2
(1)试样预处理：钛合金经过线切割加工成120mm×40mm×10mm的样板，经过砂轮打磨去除样板表面的氧化层和油污层，配置腐蚀液对打磨后的样板腐蚀5min，到时用清水冲洗2min，擦干后用无水乙醇进一步清洗，风干即可。
(2)光斑定位：在加工开始之前，需要对激光光斑进行定位调整，光斑中心到喷丸中心的距离调整为20mm。
(3)同步强化：将预处理过的钛合金样板装夹在工作台上，各项参数设置为：弹丸直径为200μm，喷嘴高度为50m，激光功率为1500w，扫描速度为10mm/s，氮氩混合气体中氮气的体积分数为50％，气体流速为15m3/min。各项参数检查无误后，打开喷丸器，待试样表面气流平稳后，开启激光扫描，在机床的带动下，激光氮化与喷丸强化同步进行，最终在钛合金表面制得大厚度无裂纹的TiN涂层。
通过金相显微镜观察涂层横截面发现，鱼骨状的TiN枝晶在涂层内分布均匀且致密，厚度均匀，达1.4mm～1.8mm，并无发现明显裂纹。经过显微硬度仪检测，处理后得到的TiN涂层的表面硬度较基体提高3倍，同时硬度提高100HV的深度达1.1～1.5mm。
实施例3
(1)试样预处理：钛合金经过线切割加工成120mm×40mm×10mm的样板，经过砂轮打磨去除样板表面的氧化层和油污层，配置腐蚀液对打磨后的样板腐蚀5min，到时用清水冲洗2min，擦干后用无水乙醇进一步清洗，风干即可。
(2)光斑定位：在加工开始之前，需要对激光光斑进行定位调整，光斑中心到喷丸中心的距离调整为30mm。
(3)同步强化：将预处理过的钛合金样板装夹在工作台上，各项参数设置为：弹丸直径为200μm，喷嘴高度为50m，激光功率为2000w，扫描速度为10mm/s，氮氩混合气体中氮气的体积分数为80％，气体流速为20m3/min。各项参数检查无误后，打开喷丸器，待试样表面气流平稳后，开启激光扫描，在机床的带动下，激光氮化与喷丸强化同步进行，最终在钛合金表面制得大厚度无裂纹的TiN涂层。
通过金相显微镜观察涂层横截面发现，鱼骨状的TiN枝晶在涂层内分布均匀且致密，厚度均匀，达1.6mm～2.0m，并无发现明显裂纹。经过显微硬度仪检测，处理后得到的TiN涂层的表面硬度较基体提高3.5倍，同时硬度提高100HV的深度达1.4～1.8mm。
本发明将传统喷丸技术和激光气体氮化技术相结合，在钛合金表面制得了大厚度无裂纹的TiN涂层，有效消除了氮化层内部产生的热拉应力，避免了裂纹产生。本发明所得到TiN涂层分为氮化物层、氮扩散层和热影响区。涂层表面质量良好，无气孔、裂纹等缺陷。经过显微硬度仪检测，处理后得到的涂层的表面硬度最高，较基体提高2～3.5倍，随着深度的增加，硬度逐渐减小。同时硬度提升80～100HV的深度可达2mm，可见本发明中激光气体氮化和喷丸同步复合技术可以有效提高钛合金表面涂层的硬度及厚度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法，其特征在于，所述方法包括：
将经过预处理的钛合金样板装夹在工作台上，在加工开始之前，调整激光光斑中心到喷丸区域中心的距离为10～30mm，检查各项参数设置无误后，打开喷丸器，待样板表面气流平稳后，开启激光扫描，在机床的带动下，激光氮化与喷丸强化同步进行，最终在钛合金表面制得TiN涂层；
各项参数设置范围如下：弹丸直径200～600μm，喷嘴高度50～120mm，激光功率1000～2000w，扫描速度5～20mm/s，喷丸的载气为氮氩混合气体，混合气体中氮气的体积分数为30％～100％，气体流速10～20m3/min。
2.如权利要求1所述基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法，其特征在于，所述钛合金为TC4钛合金。
3.如权利要求1所述基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法，其特征在于，钛合金样板预处理的方法为：将钛合金样板用砂轮打磨去除表面的氧化层和油污层，再将打磨后的样板用腐蚀液腐蚀5～8min，之后用清水冲洗2～3min，擦干后再用无水乙醇清洗，风干即可；所述腐蚀液配方为HNO3：HF：H2O＝2：1：17，使用去离子水配置。
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