[发明专利]一种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于钛及钛合金的表面改性，特别涉及一种钛及钛合金表面激光制备氮化钛梯度涂层的方法。

背景技术

钛及钛合金因其具有比强度高、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工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力相当低，严重地限制了其应用。因此，进一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工艺外，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一层氮化钛涂层。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，且工艺稳定、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工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工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，工件变形小，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强化处理。但与CVD法相比，PVD法形成的涂层较薄，一般在1～3μm，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，而且是低温工艺(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，工件变形小；可以局部加热，无接触加工，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，工件易变形等缺点。

发明内容

本发明采用预热、加变质剂、超声波震荡和激光扫描的复合工艺，解决了传统激光气体氮化时易产生裂纹、表面粗糙度大、基体易变形和氮化层晶粒粗大的缺点，提高了钛及钛合金的硬度，改善了其耐磨耐蚀性能。

本发明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。

本发明所述的对工件基体激光扫描处理和超声波震荡处理的具体措施是：将工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，然后对工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。

本发明所述的对工件基体表面进行激光扫描处理的具体工艺参数为：激光功率500～3000W，扫描速度500～5000mm/min，光斑尺寸Φ2mm～5mm。

本发明所述的反应气体为N₂和Ar的混合气体，N₂所占含量为50～100％，气体流量为10～300L/h。

本发明所述的表面黑化处理为：在基体表面喷涂0.03～0.1mm厚的添加变质剂的SiO₂吸光涂料。

本发明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。