CN114000118A - 一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法 - Google Patents
一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及钛合金渗氮技术领域，尤其涉及一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法，包括以下步骤：钛合金基体预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)、PVD沉积Al‑Cu‑Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述PVD沉积功率优选为120W‑200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃‑550℃。采用本发明的方法可以在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金渗氮技术领域，尤其涉及一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、高温强度高、抗蠕变和抗氧化性好等优点，被广泛用于航空、航天领域，制作螺栓、螺母、铆钉等紧固件。但是钛合金硬度低，耐磨性差，黏着磨损严重，对微动损伤敏感，限制了其应用范围。
表面强化是扩大钛合金应用范围的常用方式之一，其中渗氮工艺被广泛采用来强化钛合金表面，提高其抗磨损性能。但大量文献表明单一的表面氮化技术在钛合金表面的应用依然存在一些制约：一方面在钛合金表面制得的氮化层薄，与钛合金基体之间硬度差异大，易产生内应力，结合强度低，在实际的生产应用中很难发挥作用；另一方面，单一的表面氮化技术在提高钛合金表面强度、硬度的情况下很难同时兼顾韧性，导致所获得的氮化层较脆。
PVD是一种成分均匀、膜厚易于控制、绿色环保的薄膜沉积方法，大多数金属、陶瓷、合金材料都可用作靶材，在材料表面、光学薄膜、微电子器件领域有着极其广泛的应用。
低温等离子体渗氮通过辉光放电不仅能在保持钛合金原有性能不变的情况下为氮原子向基体内部扩散提供热力学条件，而且能使活性氮离子与材料表面产生反应形成高硬氮化物或含氮固溶体，显著提高表面硬度。
因此，为了改善氮化层与钛合金基体之间结合力差、厚度小、脆性大的问题，在钛合金上利用PVD与低温等离子体渗氮技术制备硬度梯度分布、层厚可调的氮化层。首先，对预变形后的α+β型钛合金进行预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)，然后通过PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层，最后将沉积了Al-Cu-Ti过渡层的试样放进低温等离子体渗氮炉中进行渗氮。由于在低温等离子体渗氮过程中Al-Cu-Ti过渡层中各层与N原子形成的氮化物硬度不同，Ti-N形成的氮化物硬度在2000HV左右，Al-N形成的氮化物硬度在1200HV左右，Cu-N形成的氮化物硬度在433HV左右，所以选Al、Cu、Ti作为过渡层，可以保证氮化后形成的氮化层具有硬度梯度分布的特征，其中将Cu过渡层放在Al过渡层和Ti过渡层中间是因为Cu与N形成的氮化物硬度较低，可以作为高硬Ti-N氮化物层过渡到高硬Al-N氮化物层的内应力释放层，提高氮化层之间的结合强度。此外，低温等离子体渗氮过程中，不仅存在N原子与Al、Cu、Ti过渡层生成高硬氮化物的反应还存在Al、Cu、Ti过渡层三者之间相互反应生成金属间化合物的反应，从而大大提高Al-Cu-Ti氮化后各氮化物层之间、氮化层与钛合金基体的结合强度。膜层厚度与硬度可通过Al-Cu-Ti过渡层厚度、渗氮时间、渗氮温度来调控，通常Al-Cu-Ti过渡层厚度越大、渗氮时间越长、渗氮温度越高形成的高硬氮化物越多，氮化深度越大。
发明内容
本发明提供了一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法，采用本发明的方法可在钛合金表面形成硬度梯度分布、厚度可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法，包括以下步骤：钛合金基体预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)、PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述过渡层是在一种在室温下通过PVD沉积的含有诸如位错等显微缺陷的膜层；所述PVD沉积功率优选为120W-200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃-550℃。
优选的，所述PVD沉积时间为1-6h。
优选的，所述PVD沉积温度为室温。
优选的，所述PVD为直流磁控溅射。
优选的，所述PVD在纯氩气下进行。
优选的，所述PVD沉积偏压为25V-100V。
优选的，所述低温等离子体渗氮气氛为1:1的N2和H2。
所述氮化层的主体成分为Al、Cu、Ti，整体含N元素。所述氮化层的具体结构为含氮钛合金基体/含氮Al预置过渡层/含氮Cu中间过渡层/含氮Ti表面过渡层，所述含氮钛合金基体、预置过渡层、中间过渡层和表面过渡层为所述低温等离子体渗氮后获得。
对钛合金基体进行预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)后利用PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层，由于单一的低温等离子体渗氮形成的氮化层厚度一般在3um左右，如需制备较厚氮化层(5um以上)则要求氮化时间在10h以上，这意味着常规低温等离子渗氮条件下增加氮化层厚度不仅工作量大、成本高而且不能满足实际生产中的特定需要。PVD可以实现多种膜层的制备，并且具有成分均匀、沉积效率高、低温制备、膜厚可控的特点，所以利用PVD在钛合金基体上制备出特定厚度的Al-Cu-Ti过渡层，确保了氮化层厚度的可控性。最后进行低温等离子体氮化，在氮化过程中，Al-Cu-Ti过渡层中各层间不仅均可同N原子发生反应生成相应的氮化物而且相互之间还可以生成金属间化合物，其中氮化物具有较高的硬度，金属间化合物具有优异的韧性，确保了硬度梯度分布、厚度可调的氮化层的形成，同时改善了单一等离子体渗氮和PVD法制备的氮化层薄、结合力差、氮化层的韧性较低等问题。所述金属间化合物层的硬度介于钛合金基体和氮化物之间。
所述Al-Cu-Ti过渡层,其特征在于厚度范围在60um-200um连续可调，其中Al预置过渡层厚度为10～60um，Cu过渡中间层厚度为40～80um，Ti表面层厚度为10～60um。
所述氮化层的厚度为60um～1mm，其氮含量从表面过渡层到钛合金基体内梯度下降。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法可以在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。
附图说明
图1为本发明一种基于PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层的钛合金表面硬度梯度分布、厚度可调氮化层的示意图；其中：1—钛合金基体、2—Al预置过渡层、3—Cu中间过渡层、4—Ti表面过渡层、5—N原子。
图2为本发明一种基于PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层的钛合金表面硬度梯度分布、厚度可调的氮化层制备流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明描述了一种钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层制备方法，包括以下步骤：钛合金基体预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)、PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、厚度可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述PVD沉积功率优选为120W-200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃-550℃。
首先，用800#、1000#、2000#、3000#的水砂纸对预变形后的α+β型钛合金基体表面进行打磨，去除表面氧化膜，之后放入蒸馏水中超声清洗15min，取出用金刚石抛光剂喷雾进行抛光，抛至镜面，依次放入丙酮、酒精、蒸馏水中超声清洗30min，去除试样表面的油污、残留抛光剂等，最后用吹风机的冷风烘干。
完成上述钛合金基体预处理后，本发明对预变形后的α+β型钛合金进行PVD，所述PVD过程没有特殊要求，采用本领域各类膜层熟知的沉积工艺即可，所述PVD优选为直流磁控溅射，PVD沉积时间优选为1-6h，PVD沉积偏压优选为25V-100V，PVD沉积在纯氩气下进行，PVD沉积温度为室温。
所述Al预置过渡层的溅射功率优选为120W-200W，溅射偏压优选为25V-50V，溅射压强优选为0.5Pa-1.3Pa,所述溅射时间按照所需厚度确定，通常溅射时间越长，Al预置过渡层越厚。
所述Cu过渡中间层的溅射功率优选为100W-120W，溅射偏压优选为50V-100V；溅射压强优选为0.5Pa-1.2Pa，所述溅射时间按照所需厚度确定，通常溅射时间越长，Cu中间过渡层越厚。
所述Ti表面过渡层的溅射功率优选为140W-200W，溅射偏压优选为25V-50V，溅射压强优选为0.5Pa-1.1Pa，所述溅射时间按照所需厚度确定，通常溅射时间越长，Ti表面过渡层越厚。
最后，对表面沉积有Al-Cu-Ti过渡层的预变形后的α+β型钛合金进行低温等离子体渗氮，所述低温等离子渗氮温度优选为400℃-600℃，所述低温等离子体渗氮在流量比为1：1的N2和H2下进行，在本发明中，对低温等离子体氮化时间没有具体要求，根据所需氮化层厚度和硬度选择即可，通常氮化时间越长氮化层越厚，高硬稳定氮化物越多，氮化层厚度和硬度越大。
本发明在所述低温等离子体氮化过程中，受PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层厚度的影响，在氮化过程出现过渡层相互反应生成金属间化合物、过渡层与氮原子相互反应生成氮化物、基体组织再结晶细化等现象，这意味着在本发明中低温等离子体氮化在生成高硬氮化物的同时还可以形成韧性较好的金属间化合物，金属间化合物的形成不仅可以改善氮化层的韧性还可以增加氮化层与基体之间的结合强度，保证了硬度梯度分布、厚度可调的氮化层的形成。同时预变形后的α+β型钛合金基体中存在再结晶现象，增加了N原子的扩散通道所以当N原子穿过Al-Cu-Ti过渡层后还可以进入基体，使基体从表层到心部的硬度呈现梯度分布，整体硬度增加，总体氮化层厚度增加。从而在改善氮化层与钛合金基体之间结合力差、厚度小、韧性差的问题同时得到了硬度梯度分布、厚度可调的氮化层。
本实施例牌号为预变形后的α+β型钛合金作为处理对象，具体步骤如下：
(1)用800#、1000#、2000#、3000#的水砂纸对预变形后的α+β型钛合金表面进行打磨，去除表面氧化膜，之后放入蒸馏水中超声清洗15min，取出。
(2)用金刚石抛光剂喷雾进行抛光，抛至镜面，依次放入丙酮、酒精、蒸馏水中超声清洗30min，去除试样表面的油污、残留抛光剂等。
(3)用吹风机的冷风烘干，放入直流磁控溅射设备的基片台上。
(4)将铝靶、铜靶、钛靶安装在直流磁控溅射设备的靶材座上，接通直流电源，关闭磁控溅射腔室进行抽真空。当真空度达到3.8×10-4Pa时，打开氩气瓶，调节氩气流量为20Sccm，打开直流溅射电源，调节溅射功率，准备溅射。
(5)Al预置过渡层的溅射工艺参数为：直流溅射功率：120W，沉积温度：室温，溅射压强：0.5Pa，溅射偏压：50V，在此参数下，沉积速率约为0.8nm/s，沉积时间：2h，旋转靶材，以Al预置过渡层作为Cu中间过渡层的生长模板，接下来准备沉积Cu中间过渡层。
(6)Cu中间过渡层的溅射工艺参数为：直流溅射功率：120W，沉积温度：室温，溅射压强：0.5Pa，溅射偏压：100V，在此参数下，沉积速率约为1.5nm/s，沉积时间：2h，旋转靶材，在Cu中间过渡层的基础上继续沉积Ti表面过渡层，接下来准备沉积Ti表面过渡层。
(7)Ti表面过渡层的溅射工艺参数：直流溅射功率；140W，沉积温度：室温，溅射压强：0.5Pa，溅射偏压50V，在此参数下，沉积速率约为0.5nm/s，沉积时间：4h，关闭镀膜设备。注意各类膜层的镀膜时间一定要精确控制，才能达到预期厚度。
(8)将镀有Al-Cu-Ti过渡层的预变形后的α+β型钛合金放入真空等离子体渗氮炉腔室中进行低温等离子体渗氮，渗氮过程中选用的气氛是比例为1：1的N2和H2，渗氮温度为400℃，保温时间为8h。最终获得硬度梯度分布、厚度可调的氮化层。
(9)取出渗氮后的试样。
实施例2
实施例2与实施例1的不同在于PVD沉积Cu中间过渡层的溅射时间为30min，其余步骤同实施例1。
实施例3
实施例3与实施例1的不同在于PVD沉积Cu中间过渡层的溅射时间为30min，Al预置过渡层的溅射时间为6h，其余步骤同实施例1。
实施例4
实施例4与实施例1的不同在于PVD沉积Ti中间过渡层的溅射时间为6h，Al预置过渡层的溅射时间为6h，其余步骤同实施例1。
实施例5
实施例5与实施例1的不同在于渗氮时间为20h，其余步骤同实施例1。
实施例6
实施例6与实施例1的不同在于渗氮温度为550℃，其余步骤同实施例1。
本发明涉及钛合金渗氮技术领域，尤其涉及一种基于PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层的钛合金表面硬度梯度分布、层厚可调的氮化层制备方法，包括以下步骤：钛合金基体预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)、PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述PVD沉积功率优选为120W-200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃-550℃。采用本发明的方法可以在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。
Claims (10)
1.一种钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：钛合金基体预处理：打磨、抛光、清洗、烘干；PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述PVD沉积功率优选为120W-200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃-550℃。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度过渡厚氮化层制备方法，其特征在于，预变形后的α+β型钛合金基体和PVD沉积的Al-Cu-Ti过渡层都存在N原子扩散通道。
3.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布、厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，直流磁控溅射在纯氩气下进行，溅射功率优选为120W-150W，溅射时间优选为1-6h，溅射偏压优选为25V-100V。
4.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所述低温等离子体氮化在1：1的N2和H2中进行。
5.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所述Al-Cu-Ti中间层厚度范围在60um-200um连续可调，其中Al预置过渡层厚度为10～60um，Cu过渡中间层厚度为40～80um，Ti表面层厚度为10～60um。
6.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布、厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所得氮化层到预变形后的α+β型钛合金基体的硬度呈梯度过渡。
7.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，Al预置中间层的溅射功率优选为120W-200W，溅射偏压优选为25V-50V，溅射压强优选为0.5Pa-1.3Pa,所述溅射时间按照所需厚度确定。
8.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所述Cu过渡中间层的溅射功率优选为100W-120W，溅射偏压优选为50V-100V；溅射压强优选为0.5Pa-1.2Pa，所述溅射时间按照所需厚度确定。
9.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所述Ti表面层的溅射功率优选为150W-200W，溅射偏压优选为25V-50V，溅射压强优选为0.5Pa-1.1Pa，所述溅射时间按照所需厚度确定，通常溅射时间越长，膜层越厚。
10.根据权利要求1所述的钛合金表面硬度梯度分布厚度可调的氮化层的制备方法，其特征在于，所述氮化层厚度、硬度分布可通过PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层的厚度、低温等离子体氮化温度和时间进行调控。
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