CN114131203A - 一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法，属于金属材料表面强化技术领域，本发明方法包括如下步骤：对待加工工件预处理；将待加工工件置于密闭装置中后通入氮气；超快激光对工件加工，电离氮气，得到氮化钛层。本发明装置中激光器发出的激光束依次经扩束镜和光阑、反射镜和扫描振镜进入密封腔加工工件，其中，密闭腔内通有氮气；激光束的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s。本发明中超快激光脉宽更短，单脉冲能量可以精确的控制，在热累积效应下，生成TiN强化层，提高了钛合金表面硬度，同时避免了因热应力过大而产生裂纹，有效地提高了其耐腐蚀性。

Description

一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面强化技术领域，尤其涉及到一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法。
背景技术
钛合金具有高的比强度、低弹性模量、导热系数、线膨胀系数、良好的耐腐蚀、低温、高温以及优异的生物相容性等综合性能，在航空航天、石油化工、海洋、生物医学领域得到广泛应用，但其摩擦学性能较差、硬度较低限制了钛合金在部分强冲蚀或强耐磨环境中的应用。
通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和等离子体氮化等方法可以对钛合金进行表面强化。随着激光技术的快速发展，激光气体氮化作为一种钛合金的表面强化方法被普遍应用。通过激光气体氮化，在钛合金表面生成氮化层，氮化层(TiN)具有高硬度和优异高温稳定性而作为钛合金的重要强化相。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置及方法，相对于连续激光及纳秒激光，超快激光脉宽更短，单脉冲能量可以精确的控制，在热累积效应下，生成TiN强化层，提高了钛合金表面硬度，同时避免了因热应力过大而产生裂纹，有效地提高了其耐腐蚀性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，包括如下步骤：
对待加工工件预处理；
将待加工工件置于密闭装置中后通入氮气；
超快激光对工件加工，电离氮气，得到氮化钛层。
进一步的，对待加工工件预处理包括：对待加工工件表面采用砂纸打磨，打磨后在无水乙醇中超声清洗，然后在去离子水中冲洗，最后在冷风中干燥。
进一步的，对待加工工件表面依次用200砂粒，400砂粒和800砂粒的碳化硅砂纸打磨。
进一步的，超快激光的激光束的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s，扫描区域为10mm×10mm。
进一步的，激光功率密度为1.3μJ/cm2，扫描速度40mm/s，激光扫描间距为20μm。
进一步的，氮气的通入量为15L/min。
进一步的，氮化钛层厚度为40～100μm，表面粗糙度为0.6～3μm。
一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置，包括激光器、扩束镜和光阑、反射镜、扫描振镜、加工平台和密封腔；所述激光器发出的激光束依次经扩束镜和光阑、反射镜和扫描振镜进入密封腔加工工件，其中，密闭腔内通有氮气；激光束的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s。
进一步的，所述加工平台上放置有密封腔，密封腔上开设有氮气进气孔和氮气出气孔，密闭腔上方设置有透明盖板，透明盖板用来透过激光束。
进一步的，所述激光器为飞秒激光器；所述工件材质为钛合金。
本发明的有益效果是：
1)采用飞秒激光高重频下的热累积效应来制备氮化层，有效地降低了因热应力过大而产生的裂纹缺陷。
2)氮化层中氮化钛枝晶尺寸相较于连续激光和短脉冲激光更小，且制备出的氮化层硬度更高。
3)相对于连续激光及纳秒激光，超快激光脉宽更短，单脉冲能量可以精确的控制，在热累积效应下，可以实现精准的能量和表面熔化层温度的控制，控制氮化层的组织、硬度等以改善其质量及性能，生成TiN强化层，提高钛合金表面硬度，同时避免了因热应力过大而产生裂纹，有效地提高了其耐腐蚀性。
4)本发明方法中制备出的氮化层中氮化钛枝晶尺寸更小，表层硬度提升程度更大，且裂纹状况明显改善，更有助于其耐腐蚀性的提升。
附图说明
图1为本发明涉及到的一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置结构示意图；
图2为图1中涉及到的密封腔结构示意图；
图3为激光扫描路径图；
图4为本发明实施例方法得到的氮化层XRD图谱；
图5实施例试样的SEM表面形貌图；
图6实施例试样横截面SEM图。
附图标记：
1-激光器，2-扩束镜和光阑，3-反射镜，4-激光束，5-扫描振镜，6-加工平台，7-密封腔，8-透明盖板，9-氮气出气孔，10-工件，11.-氮气进气孔，12-螺钉。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置，包括激光器1、扩束镜和光阑2、反射镜3、扫描振镜5、加工平台6和密封腔7；所述激光器1发出的激光束4依次经扩束镜和光阑2、反射镜3和扫描振镜5进入密封腔7加工工件10，其中，密闭腔7内通有氮气；激光束4的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s。所述加工平台6上放置有密封腔7，密封腔7上开设有氮气进气孔11和氮气出气孔9，密闭腔7上方设置有透明盖板8，透明盖板8用来透过激光束4。所述激光器1为飞秒激光器；所述工件10材质为钛合金。
密封腔7上部安装有高透射率玻璃，所述高透玻璃与所述密封腔7通过四个螺钉联接。所述密封腔7上均匀分布三个氮气进气孔11和一个氮气出气孔9，保证密封腔7内部氮气含量充足，提高氮化效果。
利用高功率飞秒激光在高重频下的热累积效应下，材料表面发生微熔化，同时超快激光的极高峰值功率通过逆致韧辐射电离氮气，氮离子与熔融层反应生成氮化钛强化层。高重频可以将单脉冲能量分成每一个小能量脉冲，实现精准的能量控制。在上述原理下，强化层组织细化，硬度提高，同时避免了因热应力过大而产生裂纹，有效地提高了其耐摩擦磨损性及耐腐蚀性。
激光束4通过扫描振镜5，高效快速地制备氮化层，氮化层的厚度为40～200μm，表面粗糙度为0.6～3μm。
本发明的基本原理是利用飞秒激光高重频下的热累积效应，能够在工件的特殊部位高效快速进行表面氮化处理，相较以往的激光氮化技术，本发明中制备出的氮化层中氮化钛枝晶尺寸更小，表层硬度提升程度更大，且裂纹状况明显改善，更有助于其耐腐蚀性的提升。
一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，包括以下步骤:加工件预处理；隔离空气，充填氮气；超快激光表面微熔，电离氮气，氮化钛强化层生成。
对加工件表面用200砂粒，400砂粒和800砂粒的碳化硅砂纸打磨，打磨后在无水乙醇中超声清洗10分钟，去除基材表面的油污、杂质，然后在去离子水中冲洗，最后在冷风中干燥。
具体包括以下步骤：
步骤1：加工件预处理
对加工件10表面用200砂粒，400砂粒和800砂粒的碳化硅砂纸打磨。打磨后在无水乙醇中超声清洗10分钟，去除基材表面的油污、杂质，然后在去离子水中冲洗，最后在冷风中干燥。；
步骤2：隔离空气，充填氮气
将加工件10连同密封腔7装夹在加工平台6上，由氮气进气孔11通氮气，在密封腔7中充填氮气；
步骤3：超快激光表面微熔，电离氮气，氮化钛强化层生成
对加工件10表面进行高重频19M下的飞秒激光加工，激光扫描路径结合附图3所示，激光一方面提供热源，使材料表面熔化，形成液相激光熔池，另一方面将密封腔内的氮气激活成活性氮原子，便于液态金属原子与活性氮原子相结合，生成氮化钛。
步骤1中工件10分别置于去离子水、无水乙醇中超声清洗10min(25℃、40W)，随后置于氮气流中吹干。
步骤2中，通入纯度为99.99％的N2，优选的，氮气的通入量为15L/min，N2从进气口11进入从出气口9流出，在密封腔7中形成一个稳定的气体流场。
步骤3中所述激光束的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光能量密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s，扫描区域为10mm×10mm。优选的，激光功率密度为1.3μJ/cm2，扫描速度为40mm/s，激光扫描间距为20μm；激光功率密度过大、扫描速度过低会使得制备的涂层厚度增大、表面粗糙度增加，容易出现裂纹；激光功率密度过小，制得的涂层厚度小，性能不能满足使用需求。
下面结合说明书附图说明实施例制备的氮化层的形貌以及成分；
图4是实施例试样的氮化层XRD图谱，图中，出现了(111)、(200)、(220)、(211)、(222)晶面的TiN衍射峰，表明加工件与氮气在高重复频率飞秒激光热累积作用下，加工件表层发生了氮化反应。
图5为实施例试样的SEM表面形貌图，其中100μm代表标尺，由图5可知氮化层的表面粗糙度小，无裂纹。
图6为实施例试样横截面SEM图，其中100μm代表标尺，由图6可知氮化层厚度大概在100μm。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对待加工工件预处理；
将待加工工件置于密闭装置中后通入氮气；
超快激光对工件(10)加工，电离氮气，得到氮化钛层。
2.根据权利要求1所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，对待加工工件预处理包括：对待加工工件表面采用砂纸打磨，打磨后在无水乙醇中超声清洗，然后在去离子水中冲洗，最后在冷风中干燥。
3.根据权利要求2所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，对待加工工件表面依次用200砂粒，400砂粒和800砂粒的碳化硅砂纸打磨。
4.根据权利要求1所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，超快激光的激光束(4)的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s，扫描区域为10mm×10mm。
5.根据权利要求4所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，激光功率密度为1.3μJ/cm2，扫描速度40mm/s，激光扫描间距为20μm。
6.根据权利要求1所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，氮气的通入量为15L/min。
7.根据权利要求1所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的方法，其特征在于，氮化钛层厚度为40～100μm，表面粗糙度为0.6～3μm。
8.一种利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束镜和光阑(2)、反射镜(3)、扫描振镜(5)、加工平台(6)和密封腔(7)；所述激光器(1)发出的激光束(4)依次经扩束镜和光阑(2)、反射镜(3)和扫描振镜(5)进入密封腔(7)加工工件(10)，其中，密闭腔(7)内通有氮气；激光束(4)的脉冲宽度272fs，波长为1030nm，重复频率19MHz，激光功率密度0.412～1.86μJ/cm2，扫描速度20～320mm/s。
9.根据权利要求8所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置，其特征在于，所述加工平台(6)上放置有密封腔(7)，密封腔(7)上开设有氮气进气孔(11)和氮气出气孔(9)，密闭腔(7)上方设置有透明盖板(8)，透明盖板(8)用来透过激光束(4)。
10.根据权利8所述的利用高功率超快激光制备氮化钛合金表面的装置，其特征在于，所述激光器(1)为飞秒激光器；所述工件(10)材质为钛合金。
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