本发明专利技术提供一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法，所述方法是在氮气气氛下，同时对工件基体的钛及钛合金表面进行激光扫描处理、同步原位送铝粉和超声振动处理，从而在所述钛及钛合金表面制备出细晶Ti3Al/TiN梯度涂层。本发明专利技术还提供一种用于钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的装置。根据本发明专利技术，该方法具有操作简便、可以局部加热、无接触加工，制备所需时间短，Ti3Al/TiN涂层层深可控等优点，所制备的细晶Ti3Al/TiN梯度涂层与现有技术相比具有无气孔、无裂纹、表面粗糙度低、晶粒细化、硬度高、耐磨耐蚀性能良好、表面残余应力降低等优点。
Preparation of fine grain Ti on titanium and its alloy surface
The invention provides a fine crystal Ti prepared from titanium and titanium alloy surfaces
【技术实现步骤摘要】
一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法和装置
本专利技术涉及钛及钛合金的表面改性领域，更具体地涉及一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法和装置。
技术介绍
众所周知，钛及钛合金具有比强度高、疲劳强度高、耐腐蚀性好以及生物相容性好等优点，在高温和低温条件下力学性能均良好，而且某些钛合金还具有记忆、超导、储氢等特殊功能。其中，Ti6Al4V合金具有良好的综合性能和优异的力学性能，已被广泛应用于航空航天、生物医学、化工工业等领域。但是，钛合金自身也有不足之处，它的硬度低，耐磨性能差，这些缺点严重限制了钛合金的应用范围。在实际的工程应用中，材料的失效往往起源于表面，比如材料的疲劳、腐蚀和磨损等，材料的表面性能及状态对材料失效的影响非常大，直接影响到材料在工程应用中的综合性能指标。因此，对钛合金进行表面强化处理就显得尤为重要。传统的Ti3Al/TiN涂层由于具有较高的硬度及较好的高温稳定性，已经广泛应用于提高钛合金的耐磨性及抗高温氧化性能。但是经过测试，传统的Ti3Al/TiN往往制备工艺复杂、耗费时间长、成本较高、一次性完成复合涂层的合成还很难实现，尤其是因为激光处理过程的快速加热与快速降温会导致表面的残余应力非常大，会导致涂层表面产生气孔与裂纹。因此应用物理或者化学的方法降低表面的残余应力具有重要的研究意义。现有技术传统的Ti3Al/TiN制备方法包括空气中直接激光处理法、表面涂覆合金层后激光辐射法等，但是，前一制备方法的缺点是氧气易掺杂到涂层中去，影响涂层，后一制备方法的缺点是涂层分层严重，结合强度略差。此外，传统的激光表面处理所制备的涂层易出现表面产生裂纹、表面粗糙度大、基体易变形、氮化层晶粒粗大等现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法和装置，从而解决现有技术中传统的Ti3Al/TiN制备工艺复杂、耗费时间长、成本较高，易在表面产生裂纹、表面粗糙度大、基体易变形和氮化层晶粒粗大的缺陷。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：根据本专利技术的第一方面，提供一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法，所述方法是在氮气气氛下，同时对工件基体的钛及钛合金表面进行激光扫描处理、同步原位送铝粉和超声振动处理，从而在所述钛及钛合金表面制备出细晶Ti3Al/TiN梯度涂层。本专利技术所提供方法的工作原理是：利用高能激光束辐射工件基体的钛及钛合金表面，使表面材料融化，熔融态的基体中的钛元素、铝元素与高纯氮气反应生成硬质的枝晶状的TiN及晶间固化物Ti3Al等，同时利用超声振动对TiN枝晶生长的阻碍效应打断枝晶生长，主要降低表面应力，然后在氮气的环境中冷却，即可生成理想的梯度涂层。所谓“梯度涂层”，即为组成成分随深度的变化而变化的涂层。所述方法具体包括：1)将所述工件基体固定在容纳于一密封箱体中的超声振动平台上，所述密封箱体中持续充入氮气；以及2)向所述工件基体施加超声振动和激光扫描，同时利用同轴送粉器同步向激光扫描处注入铝粉以及向激光扫描处输送氮气，从而在所述工件基体的钛及钛合金表面形成细晶Ti3Al/TiN梯度涂层。优选地，所述超声振动的功率为20-100W，振动频率为0-40kHz，振动波形为方波或正弦波振动；所述激光扫描的激光功率1500-3000W，扫描速度为300-600mm/min；所述氮气的纯度不小于99.99％，流量为30-80L/min；所述铝粉的纯度不小于99.99％。激光截面矩形尺寸优选为1mm×6mm，使得激光扫描单位时间内处理的面积更大，更有效率。所述方法还包括在细晶Ti3Al/TiN梯度涂层形成后，关闭激光，过数分钟停止超声振动，再过数分钟停止通入氮气。所述方法还包括所述钛及钛合金表面的预处理，所述预处理包括：对所述钛及钛合金表面进行超声清洗清洁以及表面粗糙化处理。所述表面粗糙化处理是在超声清洗后，将所述钛及钛合金表面打磨平滑后进行喷砂粗糙化处理。所述喷砂粗糙化处理中所用糙化颗粒为Al2O3颗粒。优选地，喷气压力为0.2Mpa，喷嘴距离钛及钛合金表面5cm。根据本专利技术所提供的方法，根据工件基体厚度的不同及涂层厚度的不同需要，适当选取激光的工艺参数，即可使所制备的细晶Ti3Al/TiN梯度涂层层深控制在300～800μm，避免了涂层太薄，无法起到相应的保护作用，以及涂层太厚，涂层内部容易产生裂纹和孔洞，不利于涂层的连续性的缺陷。根据本专利技术的第二方面，还提供一种用于钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的装置，所述装置包括：用于固定工件基体的超声振动平台；与所述超声振动平台连接的超声波发生器；设于所述超声振动平台上方的激光发生器；通过一管路向所述激光发生器的出口处输送铝粉的同轴送粉器；以及通过另一管路向所述激光发生器的出口处输送氮气的氮气瓶；其中，所述超声振动平台和激光发生器容纳于一密封箱体中。所述密封箱体内预先通入氮气。所述激光发生器的出口与所述工件基体的表面相距0.5cm～2cm，最优选为1.0cm。本专利技术的优点及有益效果：方法具有操作简便、可以局部加热、无接触加工，制备所需时间短，TiN/Ti3Al涂层层深可控等优点。激光扫描处理后形成的梯度涂层与基体之间没有明显界限，涂层组织均匀过渡，涂层与基体结合紧密，涂层与基体结合能力强。经检测，TiN/Ti3Al梯度涂层晶粒细小、没有气孔和裂纹等缺陷，涂层质量良好。经硬度测试可知，TiN/Ti3Al梯度涂层硬度提高很大，且硬度随涂层深度的变化均匀变化。经摩擦磨损实验得出，TiN/Ti3Al梯度涂层摩擦系数和磨痕深度都较小，并且其结构紧密，具有良好的抗摩擦磨损性能。耐磨性能提高数十倍以上。采用X-rd残余应力测试仪测量后，经过超声振动后的涂层表面残余应力比未施加超声振动的涂层降低很多。总之，根据本专利技术提供的方法所制备的细晶Ti3Al/TiN梯度涂层与现有技术相比具有如下优点：1)无气孔、裂纹等缺陷；2)涂层表面粗糙度低、晶粒细小；3)硬度较基体具有很大提高；4)涂层组织和硬度随涂层深度的变化而均匀变化；5)表面耐磨性较基体得到大幅度提高，降低了滑动磨损和黏着磨损的程度；6)耐蚀性较基体有了很大提高，抗点蚀性能提高；7)经过超声振动的涂层表面的残余应力较未施加超声振动的涂层有明显的降低。附图说明图1是根据本专利技术的一个优选实施例的装置的结构示意图；图2是激光扫描处理后所得到的钛及钛合金表面氮化钛梯度涂层剖面示意图；图3是在激光功率为2.5kw时，超声振动激光处理与未经超声振动后在试样截面上硬度随该点距离表面层深度的变化对比图；图4是在激光功率为2.5kw时，超声振动激光合金化处理(左)与未施加超声振动(右)的试样截面近表层光镜图；图5是在单道激光扫描下，超声振动激光合金化处理后试样表面残余应力与未施加超声振动试样表面残余应力测试对比图。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围。如图1所示，是根据本专利技术的一个优选实施例的用于在钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的装置。该装置主要包括：超声振动平台1，超声波发生器2，激光发生器3，同轴送粉器4，同轴本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钛及钛合金表面制备细晶Ti
【技术特征摘要】
1.一种钛及钛合金表面制备细晶Ti3Al/TiN梯度涂层的方法，其特征在于，所述方法是在氮气气氛下，同时对钛及钛合金表面进行激光扫描处理、同步原位送铝粉和超声振动处理，从而在所述钛及钛合金表面制备出细晶Ti3Al/TiN梯度涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括：1)将所述工件基体固定在容纳于一密封箱体中的超声振动平台上，所述密封箱体中持续充入氮气；以及2)向处于氮气氛围的所述工件基体施加超声振动和激光扫描，同时利用同轴送粉器同步向激光扫描处注入铝粉以及向激光扫描处输送氮气，从而在所述工件基体的钛及钛合金表面形成细晶Ti3Al/TiN梯度涂层。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超声振动的功率为20-100W，振动频率为0-40kHz，振动波形为方波或正弦波振动；所述激光扫描的激光功率1500-3000W，扫描速度为300-600mm/min；所述氮气的纯度不小于99.99％，流量为30-80L/min；所述铝粉的纯度不小于99.99％。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在细晶Ti3Al/TiN梯度涂层形成后，关...
【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，李铸国，付尧，宿冠群，涂善东，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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