一种获得高纯钛超硬表面改性层的方法与流程

本发明属于金属加工的激光表面处理领域，具体涉及一种获得高纯钛超硬表面改性层的方法。

背景技术

激光表面改性技术是激光技术与金属热处理相结合的产物，是在材料表面施加极高的能量，使之发生物理化学变化，从而显著改变材料的表面硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能。近年来，激光表面合金化技术也受到众多研究人员的关注，它是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝，从而改变金属及合金表面的化学成分。

纯钛具有优异的耐腐蚀性、良好的可焊性和可制造性，以及优良的生物相容性。因此，纯钛常用作工程材料，广泛应用于发电、化学、宇宙飞船和生物医学等行业。然而，与其他高强度钛合金相比，它的强度相对较低，这阻碍了它的进一步应用。随着纯钛在工业中的使用日益增多，对纯钛材料的性能提出了更高的要求，包括耐腐蚀性性能、生物相容性和力学性能等。而纯钛的这些性能与其微观组织(如晶粒的尺寸以及第二相粒子的尺寸、分布、结构等)密切相关。大量的研究表明，获得均匀细小、取向随机的晶粒对提高纯钛材料强度具有十分关键的作用。并且，纯钛材料在服役时往往会表现出较低的摩擦学性能，发生快速的表面磨损失效，因此需要对纯钛材料进行表面改性处理。

技术实现要素：

本发明提供了一种强化处理过程操作方便、设备简单、经济实用、技术可靠、效率高的获得高纯钛超硬表面改性层的方法，以实现通过采用脉冲激光设备对预置cr层的高纯钛材料进行表面改性处理得到富cr的超细/纳米晶组织，进而提高高纯钛材料表面的显微硬度和强度等力学性能的目的。

实现该目的的技术方案是：

一种获得高纯钛超硬表面改性层的方法，包括以下步骤：

1)工件的准备和电刷镀cr处理：用砂纸将高纯钛工件打磨光亮、清洗、干燥，利用电刷镀方法在其表面刷镀15～35μm的cr层，电刷镀cr处理的工艺参数为：刷镀时间8～12min、刷镀电压8～12v；

2)工件的脉冲激光处理：对室温电刷镀cr后的高纯钛工件进行激光表面合金化处理，采用惰性气体为保护气体，脉冲激光表面合金化处理的工艺参数为：激光功率100～800w，脉冲宽度3～8ms，离焦量2～6mm，扫描速度8～25mm/s；

3)取出经激光表面合金化处理的工件，将工件的表面打磨平整。

所述步骤1)中利用电刷镀方法在工件表面刷镀15～30μm的cr层，电刷镀cr处理的工艺参数为：刷镀时间10min、刷镀电压10v。

所述步骤2)中脉冲激光表面合金化处理的工艺参数为：激光功率100～500w，脉冲宽度3～6ms，离焦量2～6mm，扫描速度8～15mm/s。

本发明的有益效果：使用脉冲激光表面合金化的方法在高纯钛材料表面制备一定深度含cr的改性层，且cr在改性层中的含量可通过调整激光处理参数和预置cr层厚度进行有效控制。本发明通过脉冲激光表面合金化cr的高纯钛材料表面形成富cr的超细/纳米晶组织，其中cr的含量大于1wt.％，纳米孪晶尺寸小于100nm，改性层深度达到1mm以上，硬度高达450～500hv，较高纯钛基体提升3倍多。测试结果显示，本发明提供的激光表面合金化cr处理方法符合高纯钛材料的性能变化规律，可有效改善高纯钛显微硬度及强度等力学性能，使其硬化层深度及组织更加细小均匀。且强化处理过程操作方便，设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，质量稳定，可实现较好的经济效益。

附图说明

图1为实施例1中高纯钛表面刷镀cr层的电子显微和成分测试结果，其中(a)为电子显微照片，(b)为成分测试结果。

图2为实施例1得到的高纯钛表面合金化cr改性层的超细晶核纳米孪晶电子显微照片。

图3为实施例1得到的高纯钛表面合金化cr改性层的硬度测试结果。

图4为实施例2得到的高纯钛表面合金化cr改性层的超细晶核纳米孪晶电子显微照片。

图5为实施例2得到的高纯钛表面合金化cr改性层的硬度测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例1

选取制备的15×30mm的高纯钛试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1200#、2000#和3000#砂纸将样品打磨至光亮。样品打磨完成后用无水乙醇清洗，最后吹干其表面。将表面清洗干净后的样品装夹在专用的夹具上，利用室温电刷镀方法在其表面刷镀24μm的cr层。电刷镀cr处理的主要参数范围为：刷镀时间10min，刷镀电压10v。cr层是由均匀分布的小节点单元组成的，节点大小为10-28μm，节点由小于100nm的cr的颗粒组成，且cr层连续均匀分布在样品表面，其电子显微照片如图1(a)所示。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对高纯钛材料的表面进行脉冲激光表面合金化cr处理。脉冲激光表面合金化处理的主要参数范围：激光功率100w，能量密度12.5j/mm²，脉冲宽度5ms，离焦量2mm，扫描速度8mm/s。

高纯钛表面刷镀cr层的电子显微和成分测试结果如图1所示，由图可见，刷镀cr过程并没有对ti基体产生合金化效果；经测试利用本发明表面合金化处理方法处理后的高纯钛表面形成富cr的超细/纳米晶组织改性层，其中cr的含量大于1wt.％，改性层深度达到1mm以上；其超细晶核纳米孪晶电子显微结果如图2所示，纳米孪晶尺寸小于100nm；硬度测试结果如图3所示，硬度高达450～500hv(纯钛基体的硬度为120hv左右)，较基体提升3倍以上。

实施例2

选取制备的15×30mm的高纯钛试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1200#、2000#和3000#砂纸将样品打磨至光亮。样品打磨完成后用无水乙醇清洗，最后吹干其表面。将表面清洗干净后的样品装夹在专用的夹具上，利用室温电刷镀方法在其表面刷镀15μm的cr层。电刷镀cr处理的主要参数范围为：刷镀时间8min，刷镀电压8v。将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对高纯钛材料的表面进行脉冲激光表面合金化cr处理。脉冲激光表面合金化处理的主要参数范围：激光功率200w，能量密度20j/mm²，脉冲宽度3ms，离焦量4mm，扫描速度10mm/s。

经测试利用本发明表面合金化处理方法处理后的高纯钛表面形成富cr的超细/纳米晶组织改性层，其中cr的含量大于1wt.％，改性层深度达到1mm以上；其超细晶核纳米孪晶电子显微结果如图4所示，纳米孪晶尺寸小于100nm；硬度测试结果如图5所示，硬度高达450～500hv，较基体提升3倍多。

实施例3

选取制备的15×30mm的高纯钛试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1200#、2000#和3000#砂纸将样品打磨至光亮。样品打磨完成后用无水乙醇清洗，最后吹干其表面。将表面清洗干净后的样品装夹在专用的夹具上，利用室温电刷镀方法在其表面刷镀30μm的cr层。电刷镀cr处理的主要参数范围为：刷镀时间12min，刷镀电压12v。将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对高纯钛材料的表面进行脉冲激光表面合金化cr处理。脉冲激光表面合金化处理的主要参数范围：激光功率500w，能量密度25j/mm²，脉冲宽度6ms，离焦量4mm，扫描速度20mm/s。

经测试利用本发明表面合金化处理方法处理后的高纯钛表面形成富cr的超细/纳米晶组织改性层，其中cr的含量大于1wt.％，纳米孪晶尺寸小于100nm，改性层深度达到1mm以上，硬度高达450～500hv，较基体提升3倍多。

实施例4

选取制备的15×30mm的高纯钛试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1200#、2000#和3000#砂纸将样品打磨至光亮。样品打磨完成后用无水乙醇清洗，最后吹干其表面。将表面清洗干净后的样品装夹在专用的夹具上，利用室温电刷镀方法在其表面刷镀35μm的cr层。电刷镀cr处理的主要参数范围为：刷镀时间12min，刷镀电压12v。将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对高纯钛材料的表面进行脉冲激光表面合金化cr处理。脉冲激光表面合金化处理的主要参数范围：激光功率800w，能量密度32j/mm²，脉冲宽度8ms，离焦量6mm，扫描速度25mm/s。

经测试利用本发明表面合金化处理方法处理后的高纯钛表面形成富cr的超细/纳米晶组织改性层，其中cr的含量大于1wt.％，纳米孪晶尺寸小于100nm，改性层深度达到1mm以上，硬度高达450～500hv，较基体提升3倍多。