专利名称：一种激光制备氮化钛梯度涂层的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于钛及钛合金的表面改性，特别是涉及一种用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀层的装置。
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 3 μ m，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、深度分布和面均勻性，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。本实用新型提供的一种用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层的装置，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。
发明内容本实用新型提供了一种用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层的装置，该装置包括激光器1、气体充填器2、超声波震荡发生器3和带有载物台4的半封闭容器5。首先将工件7基体进行表面清洁处理、表面黑化处理、预热处理，然后放在半封闭容器5内的载物台4上，将半密闭容器5放在超声波震荡发生器3里，通过气体充填器2先向半密闭容器5通入反应气体一段时间，然后对工件7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，然后关闭激光，再停止超声波震荡和气体输入。所述的激光器(1)的光斑尺寸Φ 2mm 5mm，功率500 3000W，扫描速度500 5000mm/mino所述的表面清洁处理是指将工件7表面打磨干净，用丙酮擦洗待处理表面。所述的表面黑化处理是指在工件7基体表面喷涂0. 03 0. Imm厚的添加变质剂的SW2吸光涂料。所述的表面黑化处理时所用的变质剂为铝和钒粉末，质量比为3 2。所述的对工件7基体的预热处理为将基体加热到100 300°C。所述的通入的反应气体为N2和Ar的混合气体，N2所占含量为50 100%，气体流量为10 300L/h。本实用新型提供的装置用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层，由氮化物层和氮扩散层组成，具有如下特点1、氮化物层厚度约3 10 μ m。2、氮扩散区厚度约30 200 μ m。3、涂层无气孔、裂纹等缺陷。4、涂层表面粗糙度低、晶粒细小。5、硬度较基体有很大提高。6、涂层组织和硬度随至表面距离的变化而均勻变化。7、表面耐磨性较基体得到大幅度提高，降低了滑动磨损和粘着磨损的程度。8、涂层在还原性介质中的耐蚀性较基体有了很大提高，抗点蚀能力提高。本发明的优点及有益效果实验方法具有操作简便、可以局部加热，无接触加工， 制备所需时间短，氮化钛梯度涂层层深(可达几百微米)可控等优点。激光扫描处理后形成的氮化钛梯度涂层与基体间没有明显界限，涂层组织均勻过渡，因此其结构紧密，涂层与基体结合能力强。经检测，氮化钛梯度涂层晶粒细小、没有气孔、裂纹等缺陷，涂层质量良好， 表面粗糙度低。经硬度测量可知，氮化钛梯度涂层硬度提高很大，且硬度随至表面距离的变化均勻变化。经摩擦磨损试验得出，氮化钛梯度涂层摩擦系数和磨痕深度都较小，并且其结构紧密，具有良好的抗摩擦及减摩润滑的作用，耐磨性提高5 10倍。采用M283恒电位仪与M352测试分析软件对钛合金激光气体氮化钛梯度涂层和基体进行耐蚀性的测试与对比分析，发现氮化钛梯度涂层比基体耐蚀性提高10 20倍。
图1为钛及钛合金激光扫描处理和超声波震荡处理实验装置示意图。图中1、激光器，2、气体充填器，3、超声波震荡发生器，4、载物台，5、半封闭容器，6、 激光束，7、工件。图2为激光扫描处理后得到的钛及钛合金表面氮化钛梯度涂层剖面示意图。图中(a)表示氮化物层，(b)表示氮扩散区，(C)表示热影响区，(d)表示钛及钛合
金基体。图3为大面积搭接氮化钛梯度涂层的无损探伤图，经过探伤表明，氮化钛梯度涂层无气孔、裂纹等缺陷，涂层质量良好。图4为激光扫描处理后试样截面硬度随该点距离表层深度的变化图。图5为激光扫描处理后试样和未处理试样的动电位极化曲线示意图。
具体实施方式
对4mm厚TA2薄板进行激光处理，具体步骤如下1、首先将钛合金工件7基体表面打磨干净，并用丙酮擦洗去油；2、对清洁处理后的工件7基体喷涂0. 03 0. Imm厚的添加铝和钒粉末做变质剂的SW2吸光涂料；3、将黑化处理后的工件7基体预热到100 300°C ；4、将预热的工件7基体放在充入反应气体的半密闭容器5中，进行激光扫描处理， 同时进行超声波震荡处理，具体实施步骤为将工件7试样放在半密闭载物台4上，将半密闭容器5放在超声波震荡发生器3里，先向半密闭容器5通入反应气体一段时间，使用激光器1对工件7试样进行激光扫描处理使其直接形成金黄色氮化钛梯度涂层，关闭激光，再停止气体输入。5、激光扫描处理的具体工艺参数为光斑尺寸Φ 2mm 5mm，功率500 3000W，扫描速度500 5000mm/min，反应气体为队和Ar的混合气体，队所占含量为50 100%，气体流量为10 300L/h。处理后得到氮化钛梯度涂层，涂层可以分为氮化物层和氮扩散层，涂层组织过渡均勻。对氮化钛梯度涂层表面探伤发现，氮化梯度涂层无气孔、裂纹等缺陷，质量良好，探伤图如图4所示。激光气体氮化后氮化钛梯度涂层厚度约为50 200 μ m。经过仪器检测，激光处理后得到的氮化钛梯度涂层的硬度最高为1020HVa2，氮扩散层硬度次之，热影响区的硬度也较TA2基体有所提高，基体硬度为230HVa2，表明激光处理可以显著提高TA2表面硬度，进而提高耐磨性，氮化钛梯度涂层硬度变化如图5所示。经过摩擦磨损试验得出，该氮化钛梯度涂层表面摩擦系数、磨痕深度等都很小，具有良好的抗摩擦及减摩润滑的作用，耐磨性提高约5 10倍。[0043] 经耐蚀性试验发现，激光处理后的TA2试样自腐蚀电位比基体高出约66mV，说明激光处理可以明显降低TA2的自腐蚀倾向，这主要是由于TiN的自腐蚀电位比较高，起到保护作用。TA2表面氮化钛梯度涂层动电位极化曲线较基体动电位极化曲线明显左移，如图6 所示。分析知其维钝电流密度是基体的52%，且其曲线较稳定，故耐局部腐蚀和均勻腐蚀能力以及钝态稳定性都要好于TA2基体。经计算，耐蚀性大概提高10 20倍。
权利要求1.一种用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层的装置，其特征是该装置包括激光器(1)、气体充填器O)、超声波震荡发生器C3)和带有载物台(4)的半封闭容器(5)，半封闭容器( 放在超声波震荡发生器C3)内，气体充填器( 向半封闭容器(5) 内充填气体，激光器(1)发射激光束(6)，对载物台(4)上的工件(7)进行扫描。
2.根据权利要求1所述的用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层的装置，其特征是所述的激光器(1)的光斑尺寸Φ 2mm 5mm，功率500 3000W，扫描速度 500 5000mm/min。
专利摘要本实用新型提供了一种用激光在钛及钛合金表面制备耐磨耐蚀的氮化钛梯度涂层的装置，该装置包括激光器(1)、气体充填器(2)、超声波震荡发生器(3)和带有载物台(4)的半封闭容器(5)，半封闭容器(5)放在超声波震荡发生器(3)内，气体充填器(2)向半封闭容器(5)内充填气体，激光器(1)发射激光束(6)，对载物台(4)上的工件(7)进行扫描。本实用新型可以在钛及钛合金表面得到一层氮化钛梯度涂层，涂层厚度为50～200μm，氮化钛梯度涂层主要由氮化物层和氮扩散层组成，组织过渡均匀，表面硬度、耐磨性和耐蚀性较基体显著提高，并解决了普通激光气体氮化易产生裂纹、表面粗糙度大、氮化层树枝晶晶粒粗大的问题。
文档编号C23C8/24GK202152365SQ201120056080
公开日2012年2月29日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者付现桥, 孙宁姣, 李林, 李鹏, 王保兴, 韩彬 申请人:中国石油大学(华东), 山东万丰煤化工设备制造有限公司