[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，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。

本发明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。