[发明专利]一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法

说明书

本发明公开了一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法；该法采用振镜扫描的方式在氮气氛围中对钛合金表面进行激光织构化处理，实现了钛合金表面功能性结构的高效率、高精度、高质量制造；其创造性在于：与依靠机床运动来实现激光加工不同的是，振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，更适合微米级结构单元的激光织构化加工；在氮气中进行激光表面织构化，能够在钛合金表面制备出含氮化钛的表面微结构，氮化钛具有硬度高、化学稳定性好等特点，能够有效提升织构化表面的耐磨和耐腐蚀性能；该方法具有操作简单、成本低、效率高，易推广等优点，适合钛合金零部件表面功能化处理。

技术领域

本发明涉及钛合金表面改性技术领域，提供了一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法。

背景技术

钛及钛合金因其质轻、比强度高、耐蚀性和生物相容性好等，在航空航天、石化、能源、交通运输及医学领域应用广泛，例如战机雷达罩，船体外壳，汽车内饰面板，涡轮机叶片以及模具外形表面等。为了追求零部件的光学、力学、电磁学和仿生生物学等特殊性能，常常需要在该类型的零部件表面制造高精度微结构阵列(Texturing)或特殊的短程无序图形等功能性结构。长期以来，人们认为表面的机械稳定性和功能性是相互排斥的两个性能，正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”。因此，如何保证在拥有良好功能性的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前材料表面织构化面对实际应用亟待解决的关键难题。

振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，经过远心透镜聚焦在工件表面，从而实现对零件的加工。由于激光振镜质量轻，转动惯量小，起停加速度大(加速度能够达到10g)，加工速度快(300m/min)，跳转速度快(600m/min)，从而比较适合微结构单元的高效率、高精度激光织构加工。

激光气体氮化是利用高能激光束作为热源照射工件表面使其熔化，形成液相金属熔池；同时，在高纯氮气气氛下，高能激光束将氮气的三键打开，将其激活为活性氮原子，进而在熔池中与金属熔池的液体发生强烈化学冶金反应。随着激光热源的移动，被处理钛合金在氮气氛围中快速冷却凝固，形成氮化表层，最终达到提高表面硬度和耐磨性的目的。激光气体氮化具有氮化层/基材界面呈冶金结合，试样热变形小，制备所需时间短，氮化层深(可达几百微米)可控等优点而备受关注。

发明内容

本发明利用振镜扫描速度快、加工精度高的特点，将激光表面织构化和激光气体氮化结合起来，在钛合金表面高质量、高精度、高效率地制作出微结构阵列，能够达到表面在拥有良好功能性的同时，又能实现较强的机械稳定性的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法，所述方法为：

在气氛保护装置中，对钛合金表面进行激光织构化同步氮化处理，扫描方式为振镜扫描，织构图形直接通过软件绘图形成，织构尺寸量级为微米级；

所述钛合金为TC4钛合金，加工前需要对钛合金表面进行预处理：先用砂纸(依次为100目、200目、400目、600目)研磨以去除表面氧化皮及污染物(研磨后表面Ra≤0.3μm)，然后依次在乙醇和去离子水中进行10分钟的超声波清洗，吹干后待用；

激光表面织构化同步氮化处理的工艺参数为：激光功率300～500W，扫描速度50～200mm/s，气氛环境为氮气与氩气的混合气体，混合气体的流量为20～30L/min，其中氮气与氩气的流量比为1:1～1:0(优选1:1)。

本发明的优点在于：

(1)与依靠机床运动来实现激光加工不同的是，振镜扫描加工技术主要依靠振镜中两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，更适合微米级结构单元的高效率、高精度激光织构化加工。