[发明专利]一种钢表面制备氮化钛涂层的方法

说明书

本发明提供了一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，该方法通过采用激光振镜扫描的方式，首先熔覆得到钛合金过渡层，然后在钛合金过渡层上进行气体氮化，在2Cr13叶片表面成功制备得到硬度高、耐磨耐蚀的氮化钛涂层；本发明利用激光振镜扫描速度快，加工精度高的优点，结合激光熔覆与激光气体氮化技术在2Cr13表面制备出形貌良好、组织均匀的氮化钛涂层，达到了提高2Cr13叶片表面硬度、耐磨耐蚀性能的目的。

(一)技术领域

本发明涉及叶片用钢表面改性工艺方法，具体涉及一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，所述方法适用于2Cr13叶片表面氮化钛涂层的制备，可以大幅度提高2Cr13表面的硬度、耐磨损、耐汽蚀性能。

(二)背景技术

随着火电行业汽轮机装机容量逐步扩大，作为汽轮机核心部件之一的叶片，如何保证其高效安全的长时间工作显得尤为重要。叶片表面直接暴露在高温、高湿、高压、腐蚀、振动等极端恶劣环境下，长时间运行容易出现冲刷腐蚀、磨损破坏、点蚀、汽蚀等损伤。因此，通过表面强化技术提高叶片表面的耐磨耐蚀能力具有积极意义。

采用传统的喷丸强化技术对叶片进行表面强化处理，可以在一定程度上提高叶片表面的硬度及耐磨性。但是喷丸处理可能造成表面粗糙度增加，萌生细小裂纹，产生隐患。超音速火焰喷涂可以在叶片表面形成耐磨耐蚀涂层，但在实际高速运转中可能因喷涂涂层与基体结合不良，出现喷涂涂层脱落，导致严重生产事故。其他如电镀、表面淬火、焊接硬质合金片等方法往往都存在一些不足，诸如设备昂贵、生产周期长、污染环境等，不适合用于大型汽轮机叶片的表面强化，因此急需一种新的表面强化技术以提高汽轮机叶片表面的硬度、耐磨耐蚀性能。

常见的钢的氮化处理分为离子氮化、液体氮化、气体氮化。离子氮化作为一种新型的氮化技术，具有渗入速度快、氮化质量好的优点。但是离子氮化对离子氮化炉的制造工艺、氮化材料、操作人员素质要求较高，短时间内难以得到广泛应用；液体氮化处理的氮化层具有硬而不脆的优点，表面氮化层具有一定韧性。但是液体氮化后的氮化层厚度比较薄，而且目前液体氮化过程中的熔盐反应会产生毒性，对操作人员健康造成危害，生产后的废液处理成本巨大；传统的气体氮化需要将工件放在一个通满氨气的密闭空间中高温保温十几个小时，目前存在的问题就是氮化时间太长，效率不高，而且氮化炉结构复杂，操作难度高。钛的氮化物具有高硬度、耐磨、导热、导电性能优异等特点，因而在钛合金中间涂层表面进行氮化处理获得氮化物涂层，能够大幅度提高钢铁材料表面的硬度，耐磨抗蚀性能。

扫描振镜作为一种高速度、低惯量的扫描器件，在金属焊接领域已经得到了广泛的应用。在气体氮化过程中，通过振镜扫描，不仅能实现快速扫描，提高氮化效率，而且能实现高精度扫描，降低单道扫描起始与结束阶段热输入量不均匀的问题。本发明所述的激光器均配备振镜扫描系统，在激光熔覆制备钛合金中间涂层以及随后的氮化过程都采用振镜扫描方式对待处理区域进行激光扫描。本发明采用激光熔覆技术，通过优化工艺参数在2Cr13表面制备得到组织致密，与基体结合强度优异的钛合金中间涂层。钛合金中间涂层将作为后续钛合金激光气体氮化的过渡层，从而获得一种在钢表面制备氮化钛涂层的新方法。

(三)发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种钢表面制备氮化钛涂层的方法。该方法利用激光熔覆钛合金涂层在2Cr13叶片表面进行激光气体氮化处理。通过振镜扫描的方式，实现激光熔覆与激光气体氮化过程快速化和精确化，在2Cr13表面制备出组织均匀的氮化钛涂层，大幅度提高了2Cr13表面的硬度和耐磨耐蚀性能。

本发明的技术方案如下：

一种钢表面制备氮化钛涂层的方法，所述方法为：

对钢基体表面待处理区域进行预处理，然后进行铺粉工作，所铺粉末为纯钛粉末(牌号TA2，可通过常规途径商购获得)，单层铺粉厚度为0.1mm，共铺粉两层，之后采用多功能连续波激光器对铺粉后的待处理区域依次进行第一阶段激光熔覆、第二阶段激光气体氮化，完成钢表面氮化钛涂层的制备；