CN112522663A - 一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法；该法采用振镜扫描的方式在氮气氛围中对钛合金表面进行激光织构化处理，实现了钛合金表面功能性结构的高效率、高精度、高质量制造；其创造性在于：与依靠机床运动来实现激光加工不同的是，振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，更适合微米级结构单元的激光织构化加工；在氮气中进行激光表面织构化，能够在钛合金表面制备出含氮化钛的表面微结构，氮化钛具有硬度高、化学稳定性好等特点，能够有效提升织构化表面的耐磨和耐腐蚀性能；该方法具有操作简单、成本低、效率高，易推广等优点，适合钛合金零部件表面功能化处理。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金表面改性技术领域，提供了一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法。
背景技术
钛及钛合金因其质轻、比强度高、耐蚀性和生物相容性好等，在航空航天、石化、能源、交通运输及医学领域应用广泛，例如战机雷达罩，船体外壳，汽车内饰面板，涡轮机叶片以及模具外形表面等。为了追求零部件的光学、力学、电磁学和仿生生物学等特殊性能，常常需要在该类型的零部件表面制造高精度微结构阵列(Texturing)或特殊的短程无序图形等功能性结构。长期以来，人们认为表面的机械稳定性和功能性是相互排斥的两个性能，正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”。因此，如何保证在拥有良好功能性的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前材料表面织构化面对实际应用亟待解决的关键难题。
振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，经过远心透镜聚焦在工件表面，从而实现对零件的加工。由于激光振镜质量轻，转动惯量小，起停加速度大(加速度能够达到10g)，加工速度快(300m/min)，跳转速度快(600m/min)，从而比较适合微结构单元的高效率、高精度激光织构加工。
激光气体氮化是利用高能激光束作为热源照射工件表面使其熔化，形成液相金属熔池；同时，在高纯氮气气氛下，高能激光束将氮气的三键打开，将其激活为活性氮原子，进而在熔池中与金属熔池的液体发生强烈化学冶金反应。随着激光热源的移动，被处理钛合金在氮气氛围中快速冷却凝固，形成氮化表层，最终达到提高表面硬度和耐磨性的目的。激光气体氮化具有氮化层/基材界面呈冶金结合，试样热变形小，制备所需时间短，氮化层深(可达几百微米)可控等优点而备受关注。
发明内容
本发明利用振镜扫描速度快、加工精度高的特点，将激光表面织构化和激光气体氮化结合起来，在钛合金表面高质量、高精度、高效率地制作出微结构阵列，能够达到表面在拥有良好功能性的同时，又能实现较强的机械稳定性的目的。
本发明的技术方案如下：
一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，所述方法为：
在气氛保护装置中，对钛合金表面进行激光织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级；
所述钛合金为TC4钛合金，加工前需要对钛合金表面进行预处理：先用砂纸(依次为100目、200目、400目、600目)研磨以去除表面氧化皮及污染物(研磨后表面Ra≤0.3μm)，然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待用；
激光表面织构化同步氮化处理的工艺参数为：激光功率300～500W，扫描速度50～200mm/s，气氛环境为氮气与氩气的混合气体，混合气体的流量为20～30L/min，其中氮气与氩气的流量比为1:1～1:0(优选1:1)。
本发明的优点在于：
(1)与依靠机床运动来实现激光加工不同的是，振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，更适合微米级结构单元的高效率、高精度激光织构化加工。
(2)在氮气/氩气中进行激光表面织构化，能够在钛合金表面制备出含氮化钛的表面微结构，氮化钛具有硬度高、化学稳定性好等特点，能够有效提升织构化表面的耐磨和耐腐蚀性能。
附图说明
图1本发明装置示意图。
图2本发明工艺示意图。
具体实施方式
下面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。
本发明采用的激光器为IPG连续光纤激光器，输出光斑直径为120μm，功率范围为0～500W，输出功率稳定性为±2％；
采用的振镜扫描系统是由二维振镜X-Y结合F-θ透镜构成，场镜焦距为298nm，标刻速度可达0.7m/s，定位速度可达3m/s；
使用氧氮分析仪检测气氛保护装置内的氧气含量，标刻时装置内氧含量<0.1％；
如图1中所示，常见的加工轨迹有直线平行填充扫描、轮廓平行填充扫描和分形填充扫描方法；
表面织构尺寸为：织构高度10～50μm，织构宽度200μm～300μm，织构间距200～400μm。
实施例一(气氛为高纯氩气)：
对尺寸为20×20×5mm的TC4钛合金试样进行激光表面织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级。具体步骤如下：
(1)首先对工件表面进行预处理：先用砂纸(依次为100目、200目、400目、600目)研磨以去除表面氧化皮及污染物。然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待处理。
(2)将处理好的钛合金试样放入气氛保护装置中，对焦后盖上密封盖，打开气体阀门开始通气，气体为高纯氩气(99.9％)，流量为20L/min。在振镜扫描系统绘图软件中绘制直线平行扫描路径，扫描方式为往复扫描，扫描图形为10×10mm正方形。设置激光功率为500W、扫描速度为100mm/s、扫描间距为300μm。通气时间为7min时，使用氧氮分析仪检测装置内氧气含量<0.1％。打开激光器开始标刻，标刻完成后关闭气体阀门即可。
通过扫描电子显微镜观察发现，钛合金表面获得直线平行的织构化表面，未见明显裂纹等缺陷。观察横截面形貌，表面整体呈波纹状，织构高度约50μm，宽度约200μm，织构中心间距约300μm。摩擦磨损的测试结果显示，织构区域磨斑的尺寸明显小于未织构区域，尤其在垂直条纹方向，不仅摩擦系数明显降低，磨斑尺寸也显著减小。而在平行织构方向，磨斑尺寸也随织构密度的增加而减小，但减小的幅度小于垂直于条纹织构方向，表明在干摩擦条件下，织构起到了明显的减磨作用。
实施例二(气氛为氮氩混合气体)：
对尺寸为20×20×5mm的TC4钛合金试样进行激光表面织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级。具体步骤如下：
(1)首先对工件表面进行预处理：先用砂纸(依次为100目、200目、400目、600目)研磨以去除表面氧化皮及污染物。然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待处理。
(2)将处理好的钛合金试样放入气氛保护装置中，对焦后盖上密封盖，打开气体阀门开始通气，气体为氮氩混合气体，氮氩比为1：1，总流量为20L/min。在振镜扫描系统绘图软件中绘制直线平行扫描路径，扫描方式为往复扫描，扫描图形为10×10mm正方形。设置激光功率为500W、扫描速度为100mm/s、扫描间距为300μm。通气时间为7min时，使用氧氮分析仪检测装置内氧气含量<0.1％。打开激光器开始标刻，标刻完成后关闭气体阀门即可。
通过扫描电子显微镜观察发现，钛合金表面获得直线平行的织构化表面，未见明显裂纹等缺陷。观察横截面形貌，表面整体呈波纹状，织构高度约50μm，宽度约200μm，织构中心间距约300μm。织构表面发现均匀分布的氮化钛枝晶，枝晶沿表面垂直向下生长。摩擦磨损的测试结果显示，在垂直条纹方向，织构区域磨斑的尺寸明显小于纯氩气环境中织构区域，同时摩擦系数进一步降低。在平行织构方向，磨斑尺寸也随织构密度的增加而减小，但减小的幅度小于垂直于条纹织构方向。表明在干摩擦条件下，氮化钛的保护作用使得钛合金表面破坏程度减小，耐磨性进一步提升。
实施例三(气氛为高纯氮气)：
对尺寸为20×20×5mm的TC4钛合金试样进行激光表面织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级。具体步骤如下：
(1)首先对工件表面进行预处理：先用砂纸(依次为100目、200目、400目、600目)研磨以去除表面氧化皮及污染物。然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待处理。
(2)将处理好的钛合金试样放入气氛保护装置中，对焦后盖上密封盖，打开气体阀门开始通气，气体为高纯氮气(99.9％)，流量为20L/min。在振镜扫描系统绘图软件中绘制直线平行扫描路径，扫描方式为往复扫描，扫描图形为10×10mm正方形。设置激光功率为500W、扫描速度为100mm/s、扫描间距为300μm。通气时间为7min时，使用氧氮分析仪检测装置内氧气含量<0.1％。打开激光器开始标刻，标刻完成后关闭气体阀门即可。
通过扫描电子显微镜观察发现，织构表面较案例一、二中变粗糙，这可能是由于氮含量上升使得熔池表面张力变大，熔池流动更加剧烈，因此造成表面粗糙度变大。观察横截面发现，氮化枝晶充满整个织构区域，且有微裂纹产生。摩擦磨损的测试结果显示，与案例二相比，钛合金表面的减磨效果并无明显改善。
Claims (4)
1.一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，其特征在于，所述方法为：
在气氛保护装置中，对钛合金表面进行激光织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级；
激光表面织构化同步氮化处理的工艺参数为：激光功率300～500W，扫描速度50～200mm/s，气氛环境为氮气与氩气的混合气体，混合气体的流量为20～30L/min，其中氮气与氩气的流量比为1:1～1:0。
2.如权利要求1所述基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，其特征在于，所述钛合金为TC4钛合金。
3.如权利要求1所述基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，其特征在于，加工前对钛合金表面进行预处理：先依次用100目、200目、400目、600目砂纸研磨以去除表面氧化皮及污染物，研磨后表面Ra≤0.3μm，然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待用。
4.如权利要求1所述基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，其特征在于，所述氮气与氩气的混合气体中氮气与氩气的流量比为1:1。
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