CN115386825A

CN115386825A - 超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法

Info

Publication number: CN115386825A
Application number: CN202110561908.XA
Authority: CN
Inventors: 徐加乐; 段薇薇; 荆佳杰; 李恒; 奚晓晗
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2041-05-24
Also published as: CN115386825B

Abstract

本发明公开了一种超超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法。对钛合金基体依次进行预磨抛、气体供给和激光氮化，快速获得硬度高耐磨性好的TiN涂层。本发明制备的TiN涂层与钛合金基层冶金结合良好，涂层组织均匀过渡，涂层致密，无孔隙少裂纹，与钛合金基体层冶金相比，涂层摩擦磨损性和硬度得到较大改善。本发明提供一种超低功率激光器在钛合金表面制备氮化钛涂层的方法，与其他已公开的工艺相比，激光器功率低至7.2W，能够在工件的特殊部位高效快速制备氮化钛涂层，特别适用于精密零部件局部改性。

Description

超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法

技术领域

本发明涉及钛合金激光表面增强改性技术领域，特别涉及一种钛合金表面超低功率激光快速制备氮化钛涂层的方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、韧性好、耐腐蚀和无磁无毒等特点，在军事和民用方面中有着广阔的应用前景。但与其优异的力学性能相比，钛合金表面硬度和塑性剪切抗力较低，表面加工硬化能力差，疲劳敏感性强，不耐高温氧化。随着钛合金材料应用规模和应用领域的不断拓展，因其低硬度、不耐磨等性能缺陷引发的材料失效问题也日显突出。

氮化钛(TiN)具有高硬度、优异的化学稳定性、良好的耐磨损性等优点，在钛合金表面制备出硬度高、耐磨蚀、耐高温氧化的致密氮化钛改性层，是扩大其使用范围的有效措施。

目前，在钛及钛合金表面制备氮化钛涂层的主要方法有传统渗氮渗碳、物理气相沉积、化学气相沉积、电弧离子镀、直流磁控反应溅射和激光表面改性技术。激光表面改性技术是利用高能激光束，对材料表面进行强化处理，以获得理想的组织或涂层。在高能量、高热量的作用下，材料将发生复杂的物理化学反应，可选择性的对工件进行局部处理，实验过程工艺周期短、操作简单、效率高。

常规激光氮化钛涂层制备方法对激光器功率要求高，依靠高脉冲能量、高重复频率、高稳定性的激光器，以保证激光改性过程中工艺的稳定性，提高对改性层的质量控制水平。这些要求极大的制约了氮化钛涂层的实际生产，而且对于精密工件的特殊部位，传统激光氮化工艺难以满足工业化生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供使用超低功率激光器在钛合金表面制备氮化钛涂层的方法，激光器功率极低，成本低，效率高，能够在工件的特殊部位高效快速制备氮化钛涂层，特别适用于精密零部件局部改性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基体预磨抛：试验以钛合金圆片为基体，厚度4mm，直径为40mm。材料交货状态为锻造+固溶+退火处理。钛合金板材在激光氮化前，采用标准金相制备方法，依次用180#、400#、600#、800#、1200#、2000#水磨砂纸进行预磨，去除基材表面的氧化物和污物，并机械抛光至镜面，立即采用丙酮和乙醇清洗后干燥处理备用。

(2)气体供给：将预磨抛后的钛合金基体放入样品室内，通过环隙式高效送气喷嘴侧向输送氮氩混合气，在氮氩气体供给系统中加入气体干燥器以去除气体中的水分，避免空气混入，通过流量计调节可实现氮气与氩气的混合比例在0-100％之间变化，环境压力为0.15Mpa。

(3)激光氮化处理：钛合金基体经吹气处理15s后，按照预设的激光参数启动激光器对钛合金样品进行激光氮化处理。

特别的，所述钛合金为Ti-6Al-4V-0.55％Fe合金。

特别的，所述步骤(2)中的送气喷嘴为环隙式高效送气喷嘴，侧向送气。

特别的，所述步骤(2)中的混合气体为高纯氮气和高纯氩气，氮氩比为1:5，其纯度大于99.999％。

特别的，所述步骤(3)中的激光器为皮秒脉冲近红外(NIR)激光器，激光器最大输出功率7.2W，激光电流9A，激光波长1064μm，脉冲宽度800ps，激光重复频率800kHz，激光光斑尺寸28μm。

特别的，所述步骤(3)中的激光器扫描模式为线扫，线扫速度从左往右分别为5～20mm/s，线距离从上到下分别是10～20μm，搭接率30～50％。

特别的，所述步骤(3)中激光氮化的制备时间为6～10分钟。

特别的，所述步骤(3)中激光氮化制备的TiN涂层厚度为5～20μm。

特别的，所述步骤(3)中激光氮化制备的TiN涂层轮廓尺寸小于或等于8mm×8mm。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用超低功率皮秒级激光器为热源熔化工件表面，可选择性地对精密工件的局部区域进行快速氮化处理，快速高效地制备与基材成冶金结合的微米级氮化钛涂层，工艺简单且效率高，成本较低。

2.本发明的制备的TiN涂层与钛合金基体层冶金结合良好，涂层组织均匀过渡，涂层致密，无孔隙少裂纹，氮化钛涂层厚度和轮廓尺寸在一定范围内可控。

3.本发明的制备的TiN涂层与钛合金基体相比，涂层表面硬度提升1.56倍左右，涂层摩擦磨损性能得到较大的改善。经摩擦磨损试验发现，滑动磨损和粘着磨损的程度减轻，起到了减摩润滑的作用，摩擦系数、磨痕深度和磨损量均减小。

附图说明

图1为实施例1中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层表面的宏观形貌图。

图2为实施例1中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层表面的微观形貌图。

图3为实施例1-3中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的表面XRD 图谱。

图4为实施例1-3中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的硬度分布曲线图。

图5为实施例1中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的磨痕图。

图6为实施例1中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的磨痕处能谱图。

图7为实施例1-3中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的摩擦系数曲线图。

图8为实施例1中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备TiN涂层的磨痕能谱分析示意图。

具体实施方式

实施例1

一种超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，包括以下步骤：

(2)气体供给：将预处理后的钛合金基体放入样品室内，通过环隙式高效送气喷嘴侧向输送氮氩混合气，在氮氩气体供给系统中加入气体干燥器以去除气体中的水分，避免空气混入，通过流量计调节可实现氮气与氩气的混合比例为1:5，环境压力为0.15Mpa。

(3)激光氮化处理：钛合金基体经吹气处理15s后，按照预设的激光参数启动激光器对钛合金样品进行激光氮化处理。实验所用半皮秒脉冲近红外(NIR)激光器，最大输出功率 7.2W，激光电流9A，激光波长1064μm，脉冲宽度800ps，激光重复频率800kHz，激光光斑尺寸28μm。线扫速度为5mm/s，线距离从上到下分别是10μm，搭接率30～50％。激光氮化处理时间为8分钟，制得TiN涂层。

实施例2

一种超低功率激光制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，包括以下步骤：

(3)激光氮化处理：钛合金基体经吹气处理15s后，按照预设的激光参数启动激光器对钛合金样品进行激光氮化处理。实验所用半皮秒脉冲近红外(NIR)激光器，最大输出功率 7.2W，激光电流9A，激光波长1064μm，脉冲宽度800ps，激光重复频率800kHz，激光光斑尺寸28μm。线扫速度为15mm/s，线距离从上到下分别是10μm，搭接率30～50％。激光氮化处理时间为8分钟，制得TiN涂层。

实施例3

(3)激光氮化处理：钛合金基体经吹气处理15s后，按照预设的激光参数启动激光器对钛合金样品进行激光氮化处理。实验所用半皮秒脉冲近红外(NIR)激光器，最大输出功率 7.2W，激光电流9A，激光波长1064μm，脉冲宽度800ps，激光重复频率800kHz，激光光斑尺寸28μm。线扫速度为20mm/s，线距离从上到下分别是10μm，搭接率30～50％。激光氮化处理时间为8分钟，制得TiN涂层。

对实施例1至实施例3在Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化制备的TiN涂层进行结构表征，利用扫描电镜(SEM)和配套的能谱仪(EDS)观察涂层的表面形貌，利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层的物相结构，利用HVS-1000显微硬度计测量氮化层的硬度，MFT-3000型往复式摩擦磨损试验机分别检测TiN涂层和基体的摩擦磨损性能，测试结果如图 1至图7和图8所示。

图1和图2分为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的宏观图和微观组织形貌图。由图可知氮化层较致密，无孔隙无裂纹，与Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金基体呈冶金结合良好。

图3为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的XRD图谱。由图可知，钛合金表面激光氮化层的物相主要为TiN和Ti。氮化层存在(111)、(200)、(220)、(311)晶面的衍射峰，TiN的择优取向受激光功率密度、扫描速度的影响，取决于表面自由能与应变能之间的竞争，TiN晶体中(111)晶面的应变能最低，所以TiN涂层中晶体的择优取向为(111)晶面。

图4为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的硬度变化图。由图可知，TiN 的形成提升了Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金基体的硬度，TiN涂层硬度最大达到470HV。激光扫描线速度的降低，有利于TiN涂层的性能提升。

图5为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的磨痕图。由图可知，滑动磨损和粘着磨损的程度减轻，起到了减摩润滑的作用，摩擦系数、磨痕深度和磨损量均减小。

图6为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的磨痕处的能谱图。图8为实例中钛合金表面激光氮化层的磨痕处的元素分析结果示意图。由图8可知涂层中灰白色不规则块区域主要组成元素为Ti，同时含有少量的O、N、Al、V等元素。

图7为实例中Ti-6Al-4V-0.55％Fe钛合金表面激光氮化层的摩擦系数曲线图。由图可知，图中可以看出合金基体以及的氮化层摩擦系数随时间变化曲线有明显的先增加后趋于平稳的趋势，这是因为当摩擦副和氮化层对磨开始时，摩擦副和膜层表面都相对光滑，粗糙度和摩擦力都很小，因此起始摩擦系数小，随着相对运动的不断进行，在切削作用的影响下，渗氮层部分脱落或者发生塑性变形形成磨屑，极大增加了试样表面的粗糙度使得摩擦系数增大。对磨一段时间过后磨头下潜，两者的接触面积增大接触应力减小，表面的磨屑增长也较为均匀和稳定，因此表面的粗糙程度趋向于稳定，摩擦系数的变化趋势趋于平稳不再会有较大波动。激光扫描线速度为5mm/s形成的TiN明显提升了TI-6AL-4V-0.55％FE钛合金基体的摩擦磨损性能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基体预磨抛：试验以钛合金圆片为基体，厚度4mm，直径为40mm。材料交货状态为锻造+固溶+退火处理。钛合金板材在激光氮化前，采用标准金相制备方法，依次用180#、400#、600#、800#、1200#、2000#水磨砂纸进行预磨，去除基材表面的氧化物和污物，并机械抛光至镜面，立即采用丙酮和乙醇清洗后干燥处理备用。

（2）气体供给：将预磨抛后的钛合金基体放入样品室内，通过环隙式高效送气喷嘴侧向输送氮氩混合气，在氮氩气体供给系统中加入气体干燥器以去除气体中的水分，避免空气混入，通过流量计调节可实现氮气与氩气的混合比例在0-100%之间变化，环境压力为0.15Mpa。

（3）激光氮化处理：钛合金基体经吹气处理15s后，按照预设的激光参数启动激光器对钛合金样品进行激光氮化处理。

2.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述钛合金为Ti-6Al-4V-0.55%Fe合金。

3.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的送气喷嘴为环隙式高效送气喷嘴，侧向送气。

4.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的混合气体为高纯氮气和高纯氩气，氮氩比为1:5，其纯度大于99.999%。

5.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的激光器为皮秒脉冲近红外（NIR）激光器，激光器最大输出功率7.2W，激光电流9A，激光波长1064μm，脉冲宽度800ps，激光重复频率800kHz，激光光斑尺寸28μm。

6.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的激光器扫描模式为线扫，线扫速度从左往右分别为5~20mm/s，线距离从上到下分别是10~20μm，搭接率30～50％。

7.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中激光氮化的制备时间为6~10分钟。

8.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中激光氮化制备的TiN涂层厚度为5～20μm。

9.根据权利要求1所述的超低功率激光快速制备钛合金表面氮化钛涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中激光氮化制备的TiN涂层轮廓尺寸小于或等于8mm×8mm。