本发明专利技术提供了一种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法，首先对工件基体进行表面清洁处理、表面黑化处理和预热处理，然后再进行激光氮化处理，其特征在于激光氮化处理是在填充反应气体条件下，同时进行工件基体表面激光扫描处理和超声波震荡处理。本发明专利技术可以在钛及钛合金表面得到一层氮化钛梯度涂层，涂层厚度为50～200μm，氮化钛梯度涂层主要由氮化物层和氮扩散层组成，组织过渡均匀，表面硬度、耐磨性和耐蚀性较基体显著提高，并解决了普通激光气体氮化易产生裂纹、表面粗糙度大、氮化层树枝晶晶粒粗大的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钛及钛合金的表面改性，特别涉及ー种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法。
技术介绍
钛及钛合金因其具有比強度高、热强度高、耐蚀性好、低温韧性优良、高温机械性能好和生物相容性优异等优点，在航空航天、石油化工、生物医学以及其他民用エ业等领域都得到了广泛的应用。然而，钛及钛合金的表面硬度较低，化学活性较大，在滑动摩擦条件下，摩擦性能较差，特别是摩擦和磨损抗カ相当低，严重地限制了其应用。因此，进ー步提高钛及钛合金的耐磨、抗高温氧化以及耐腐蚀等表面性能就成了亟需解决的问题。除改进合金的成分和制备エ艺外，对钛合金进行表面改性是目前最有效的方法，因此钛合金表面改性技术成为当前国内外研究的热点。氮化钛由于具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性、高耐磨性及优良的导热性能、导电性能、光学性能、生物相容性等优点，受到了越来越广泛的关注。对钛及钛合金进行表面改性时往往是在其表面制备ー层氮化钛涂层。目前，在钛及钛合金表面制备氮化钛涂层的方法主要有传统渗氮、物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入以及激光表面改性等。传统渗氮包括气体渗氮、盐浴渗氮、离子渗氮等方法。气体渗氮具有设备简单，投资少，适用面广，可用于各种形状复杂的零部件，且エ艺稳定、生产成本低等优点；但是其存在周期长、温度高、渗层薄、组织难以控制以及需要对エ件整体长期加热等缺点。离子渗氮相比气体渗氮存在渗氮速度快，渗氮层组织易控制、脆性小，渗氮在生成表面硬化层之后不必再进行淬火等エ序故样品变形小等优点；但该技术也存在着耐磨性低、耐磨层薄，处理周期长，组织难于灵活控制等缺点，又限制了其应用范围。物理气相沉积所需温度低，エ件变形小，基体内部不被软化，最为适宜对精度要求很高的钛合金工件进行表面強化处理。但与CVD法相比，PVD法形成的涂层较薄，一般在I 3 μ m，与基体的粘着牢度稍低，且绕镀性较差。化学气相沉积相对于PVD方法具有成膜速度快、镀膜绕射性好、镀层纯度高、结晶完全、沉积表面光滑、辐射损伤低等特点。但是由于装置需要高温度、高真空等环境条件的要求，因而其推广应用受到了很大的限制。离子注入能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温エ艺(可防止原来杂质的再扩散等)，同时可实现自对准技术(以减小电容效应)；但是由于离子注入得到的氮化层较浅且离子注入技术成本较高等问题，又限制了其应用。目前对钛及钛合金进行激光氮化的方法主要是脉冲激光诱导气体氮化和激光气体氮化方法。脉冲激光诱导氮化只有当脉冲次数达到一定数值、激光达到一定强度时，表面才会出现金黄色，这种方法的效率太低不适合大面积处理。激光气体氮化属于激光表面气体合金化，它是利用激光辐照钛及钛合金表面时引入氮气，形成高硬度、耐磨损的氮化层，它具有氮化层/基材界面成冶金结合，热影响区小，エ件变形小；可以局部加热，无接触加エ，制备所需时间短，氮化层深(可达几百微米)可控等优点，但是也存在表面粗糙度大，易产生裂纹，エ件易变形等缺点。
技术实现思路
本专利技术采用预热、加变质剂、超声波震荡和激光扫描的复合エ艺，解决了传统激光气体氣化时易广生裂纹、表面粗糖度大、基体易变形和氣化层晶粒粗大的缺点，提闻了钦及钛合金的硬度，改善了其耐磨耐蚀性能。本专利技术提供了ー种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法，首先对エ件基体进行表面清洁处理、表面黑化处理和预热处理，然后再进行激光氮化处理，其特征在于激光氮化处理是在填充反应气体条件下，同时进行エ件基体表面激光扫描处理和超声波震荡处理。本专利技术所述的对エ件基体激光扫描处理和超声波震荡处理的具体措施是将エ件放在半密闭载物台上，将半密闭容器放在超声波震荡发生器里，先向半密闭容器通入反应气体一段时间，然后对エ件同时进行激光扫描处理和超声波震荡处理使其形成氮化钛梯度 涂层，关闭激光，再停止超声波震荡和气体输入。本专利技术所述的对エ件基体表面进行激光扫描处理的具体エ艺參数为激光功率500 3000W,扫描速度500 5000mm/min,光斑尺寸Φ 2mm 5mm。本专利技术所述的反应气体为N2和Ar的混合气体，N2所占含量为50 100%，气体流量为10 300L/h。本专利技术所述的表面黑化处理为在基体表面喷涂O. 03 O. Imm厚的添加变质剂的SiO2吸光涂料。本专利技术所述的表面黑化处理时喷涂的SiO2吸光涂料中的变质剂为铝和钒粉末，质量比为3 2。本专利技术所述的エ件基体的预热处理为将基体加热到100 300°C。本专利技术提供了ー种具有硬度高、耐磨耐蚀性能良好的钛及钛合金表面氮化钛梯度涂层，由氮化物层和氮扩散层组成，其中，氮化物层厚度约3 10 μ m，氮扩散区厚度约30 200 μ m。本专利技术提供的氮化钛梯度涂层具有如下特点I、无气孔、裂纹等缺陷；2、涂层表面粗糙度低、晶粒细小；3、硬度较基体有很大提闻；4、涂层组织和硬度随至表面距离的变化而均匀变化；5、表面耐磨性较基体得到大幅度提高，降低了滑动磨损和粘着磨损的程度；6、在还原性介质中的耐蚀性较基体有了很大提高，抗点蚀能力提高。本专利技术的优点及有益效果实验方法具有操作简便、可以局部加热，无接触加工，制备所需时间短，氮化钛梯度涂层层深(可达几百微米)可控等优点。激光扫描处理后形成的氮化钛梯度涂层与基体间没有明显界限，涂层组织均匀过渡，因此其结构紧密，涂层与基体结合能力強。经检测，氮化钛梯度涂层晶粒细小、没有气孔、裂纹等缺陷，涂层质量良好，表面粗糙度低。经硬度測量可知，氮化钛梯度涂层硬度提高很大，且硬度随至表面距离的变化均匀变化。经摩擦磨损试验得出，氮化钛梯度涂层摩擦系数和磨痕深度都较小，并且其结构紧密，具有良好的抗摩擦及减摩润滑的作用，耐磨性提高5 10倍。采用M283恒电位仪与M352测试分析软件对钛合金激光气体氮化钛梯度涂层和基体进行耐蚀性的测试与对比分析，发现氮化钛梯度涂层比基体耐蚀性提高10 20倍。附图说明图I为钛及钛合金激光扫描处理和超声波震荡处理实验装置示意图。图中I、激光器，2、气体充填器，3、超声波震荡发生器，4、带有载物台，5、半封闭容器，6、激光束，7、エ件。图2为激光扫描处理后得到的钛及钛合金表面氮化钛梯度涂层剖面示意图。 图中(a)表示氮化物层，(b)表示氮扩散区，(C)表示热影响区，(d)表示钛及钛合金基体。图3为大面积搭接氮化钛梯度涂层的无损探伤图，经过探伤表明，氮化钛梯度涂层无气孔、裂纹等缺陷，涂层质量良好。图4为激光扫描处理后试样截面硬度随该点距离表层深度的变化图。图5为激光扫描处理后试样和未处理试样的动电位极化曲线示意图。具体实施例方式对4mm厚TA2薄板进行激光处理,具体步骤如下I、首先将钛合金基体表面打磨干净，并用丙酮擦洗去油；2、对清洁处理后的基体喷涂O. 03 O. Imm厚的添加铝和钒粉末做变质剂的SiO2吸光涂料；3、将黑化处理后的基体预热到100 300°C ；4、将预热的基体放在充入反应气体的半密闭容器中，进行激光扫描处理，同时进行超声波震荡处理，具体实施步骤为将试样放在半密闭载物台上，将半密闭容器放在超声波震荡发生器里，先向半密闭容器通入反应气体一段时间，使用大功率激光器对试样进行激光扫描处理使其直接形成金黄色氮化钛梯度涂层，关闭激光，再停止气体输入。5、激光扫描处理的具体エ艺參数为光斑尺寸本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法，首先对エ件基体进行表面清洁处理、表面黑化处理和预热处理，然后再进行激光氮化处理，其特征在于激光氮化处理是在填充反应气体条件下，同时进行エ件基体表面激光扫描处理和超声波震荡处理。2.根据权利要求I所述的钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法，其特征在于，所述的对エ件基体激光扫描处理和超声波震荡处理的具体措施是将エ件放在半密闭载物台上，将半密闭容器放在超声波震荡发生器里，先向半密闭容器通入反应气体一段时间，然后对エ件同时进行激光扫描处理和超声波震荡处理使其形成氮化钛梯度涂层，关闭激光，再停止超声波震荡和气体输入。3.根据权利要求I或2所述的钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法，其特征在于，所述的对エ件基体表面进行激光扫描处理的具体エ艺參数为激光功率500 3000W,...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩彬，王勇，张成忠，孙宁姣，孙丰收，王永刚，付现桥，李鹏，
申请(专利权)人：山东万丰煤化工设备制造有限公司，中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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