专利名称：钛合金的激光渗氧硬化方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料的表面化学热处理方法，尤其涉及一种钛合金的激光渗氧硬化方法。
背景技术：
钛合金的比强度与比刚度非常高，而且非常耐蚀，同时也非常适合作为人体植入材料，但遗憾的是钛合金的表面硬度低，不耐磨，从而限制了钛合金在载荷或摩擦磨损场合的应用。针对钛合金硬度低的缺陷，现有技术中有很多解决办法，其中，最有发展前景且最廉价的办法就是表面改性技术，而众多的钛合金表面改性技术当中，渗氧强化比较具有特色。钛合金的渗氧强化按照作用时间来分，一种是快速渗氧，另一种主要为在炉中加热的办法进行渗氧。由于采用炉中整体加热的办法加热时间长，能耗大，而且不能对材料的指定区域进行加热，从而只具有一定的适用范围。而大多数钛合金承受载荷的部件或应用于摩擦磨损场合的部件，一般只要求局部区域硬度较高就可以满足使用要求，而可以局部渗氧强化和快速渗氧强化的手段可参阅于 2005年9月21日公告的发明专利，公告号为CN1219909C，该发明专利的发明名称为“钛或其合金的快速渗氧硬化方法”。该发明揭示的提高钛或其合金的表层硬度的方法是利用激光照射钛或其合金表面，在不超过钛或其合金的相变温度和熔化温度之间快速加热进行强化渗氧，然后加工去掉最表层的氧化膜，最后得到渗氧层；使用该方法对钛或其合金进行激光强化后，使钛或其合金的硬度提高1-2倍，硬化深度达到10-30微米，有效提高了钛或其合金的耐磨寿命。但是该方法由于采用激光直接对钛合金进行辐照，使用的保护气体为环境大气或氩气稀释过的氧气，在钛合金表面存在一种厚度的氧化膜，需要在使用前采用酸洗的办法或机械加工的办法进行去除，这样的处理办法对要求精度(尺寸精度)比较低的钛合金可以满足要求，如果精度要求(尺寸精度)稍高的话，就不再适用。另外激光直接辐照钛合金的时候，钛合金表面将大部分的激光能量反射，使得激光能量利用率非常低。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的钛合金的激光渗氧硬化方法，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛合金的激光渗氧硬化方法，该方法在于采用激光辐照钛合金表面，钛合金表面涂覆由含Ti02为主的粉末，在环境大气的条件下， 激光能量使钛合金表面发生微熔，从而在钛合金表面形成渗氧强化层，此种处理办法对钛合金的尺寸精度影响很小，甚至无影响。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种钛合金的激光渗氧硬化方法，其包括如下步骤1)将钛合金表面抛光，清理干净；
2)将以Ti02为主体的粉末使用粘结剂调制成浆糊状浆料；3)使用毛刷在钛合金表面涂覆调制好的浆料，然后风干或吹干；4)使用激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描，并控制激光能量，使钛合金表面发生微熔，在钛合金表面形成渗氧强化层。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，步骤幻中粉末粒度小于150μπι。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，步骤幻中涂覆在钛合金表面的浆料厚度不超过0. 2mm。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，步骤4)中激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描的工序在大气环境下完成。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，步骤4)后还包括对加工后的钛合金进行快速冷却。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，步骤4)中采用的激光器为二氧化碳激光器。优选的，在上述钛合金的激光渗氧硬化方法中，采用激光对钛合金需要强化加工的区域进行连续扫描并搭接。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)利用激光对钛合金进行处理后，表面硬度可以达到500-850HV，硬化深度可以达到100-200 μ m，有效的提高了钛合金在摩擦环境下的使用寿命；(2)由于Ti02粉末的存在，一方面隔离了空气中的一部分氧气，使得钛合金表面发生氧化的能力减弱，从而可以完全采用在大气下进行激光处理；另一方面，若是直接对钛合金进行激光渗氧处理，由于钛合金的表面反光，会使大部分激光能量耗散在空气中，采用了 Ti02为主的粉末涂覆在钛合金表面，相当于激光淬火时在金属表面涂覆了吸光剂，可以大大提高钛合金对激光的吸收率，从而可以使相同能量下的激光渗氧强化层的深度加大， 延长材料的使用寿命。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例一的金相组织图像(从左至右，低倍到高倍)；图2是本发明实施例一的表面形貌图像(从左至右，低倍到高倍)；图3是本发明实施例一的显微硬度分布曲线；图4是本发明实施例一的摩擦磨损实验后的SEM图像；图5是本发明实施例二的金相组织图像；图6是本发明实施例二的扫面电镜分析图像；图7是本发明实施例二的表面形貌图像；图8是图7中暗灰区EDX分析图像；图9是本发明实施例二的表面形貌图像；
图10是图9中暗灰区EDX分析图像；图11是本发明实施例二的表面形貌图像；图12是图11中及灰白区EDX分析图像；图13是本发明实施例二的显微硬度分布曲线；图14是本发明实施例二的摩擦磨损实验后的SEM图像；图15是本发明实施例三的金相组织图像；图16是本发明实施例三的扫面电镜图像；图17是本发明实施例三的显微硬度分布曲线；图18是本发明实施例三的摩擦磨损实验后的SEM图像；图19是本发明实施例四的金相组织图像(从左至右，低倍到高倍)；图20是本发明实施例四的表面形貌图像(从左至右，低倍到高倍)；图21是本发明实施例四的显微硬度分布曲线；图22是本发明实施例四摩擦磨损实验后的SEM图像。
具体实施例方式本发明公开了一种钛合金的激光渗氧硬化方法，该方法在于在钛合金表面涂覆含 Τ 02为主的粉末，由于钛金属会使激光能量大部分反射，在钛合金表面添加含Ti02的氧化物粉末，使用粘结剂将氧化物粉末覆盖在钛合金表面，在环境大气的条件下，使用激光对钛合金表面进行辐照，使钛合金表面发生微熔，从而在钛合金表面形成渗氧强化层。采用此种处理办法对钛合金进行处理后，钛合金的表面硬度可以达到500-850HV，钛合金的硬化深度可以达到100-200μπι，有效的提高了钛合金在摩擦环境下的使用寿命；并且，此种处理办法对钛合金的尺寸精度影响很小，甚至无影响。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例的钛合金的激光渗氧硬化方法，其包括如下步骤1)将钛合金表面抛光，清理干净；2)将以Ti02为主体的粉末使用粘结剂调制成浆糊状浆料；3)使用毛刷在钛合金表面涂覆调制好的浆料，然后风干或吹干；4)使用激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描，并控制激光能量，使钛合金表面发生微熔，在钛合金表面形成渗氧强化层。进一步的，步骤2)中粉末粒度小于150 μ m。进一步的，步骤幻中涂覆在钛合金表面的浆料厚度不超过0. 2mm。进一步的，步骤4)中激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描的工序在大气环境下完成。进一步的，步骤4)后还包括对加工后的钛合金进行快速冷却。进一步的，步骤4)中采用的激光器为二氧化碳激光器。进一步的，采用激光对钛合金需要强化加工的区域进行连续扫描并搭接。
本方法是在大气环境下完成，不需要使用真空室等复杂的设备，工艺方法简单，实验操作容易；并且，表面可以实现无膜渗氧，可直接消除氧化膜的不利影响，表面光亮；渗层深度大，而且可以控制，可处理复杂形状的试件。
通过使用上述方法，能够有效提高钛合金在摩擦环境下的使用寿命。
下面结合具体的实施例对本发明所提供的方案进行详细描述。
实施例一
将钛合金表面抛光、清洗干净，使用粘结剂将以Ti02(粉末粒度小于150 μ m)为主的粉末调制成浆糊状，用毛刷将调制好的浆糊状粉末涂覆在钛合金表面，厚度不超过 0. 2mm,然后风干或吹干，利用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率为1000W，扫描速度为 lOmm/s。最后，得到的金相结果如图1所示，扫描电镜观察到的结果如图2所示，可见硬化层深度大约为ΙΟΟμπι，激光硬化处理区和基材测得的显微硬度的分析结果如图3所示，根据图3可知，处理区的硬度可以达到800Ην，基体的显微硬度为300-350HV，证明激光处理后对钛合金进行了硬化。图4为进行摩擦试验后得到的划痕结果，可以进一步证明激光快速渗氧处理后，钛合金表面硬度得到了提高，摩擦性能得到了提升。
实施例二
将钛合金表面抛光、清洗干净，使用粘结剂将以Ti02(粉末粒度小于150 μ m)为主的粉末调制成浆糊状，用毛刷将调制好的浆糊状粉末涂覆在钛合金表面，厚度不超过 0. 2mm,然后风干或吹干，利用二氧化碳激光器进行扫描，激光功率为1000W，扫描速度为 lOmm/s。最后，得到的金相结果如图5所示，放大后的硬化区采用扫描电镜观察到的结果如图6所示，可见硬化层深度大约为150-200 μ m。图7_12为自激光处理区表面向基材进行成分分析的结果，具体的成分见表1，可见氧的成分自表面向内逐渐降低，同时检测到氮的存在，但氧的含量明显高于氮，这证明硬化作用主要是氧的渗氧作用。图13为激光硬化处理区和基材测得的显微硬度的分析结果，可见处理区的硬度可以达到850Hv，基体的显微硬度不变为300-350HV，证明激光处理后对钛合金进行了硬化。图14为进行摩擦试验后得到的划痕结果，可以进一步证明激光快速渗氧处理后，表面硬度得到了提高，摩擦性能得到了提升。
表1实施例2的分子百分数％
权利要求
1.一种钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)将钛合金表面抛光，清理干净；2)将以Ti02为主体的粉末使用粘结剂调制成浆糊状浆料；3)使用毛刷在钛合金表面涂覆调制好的浆料，然后风干或吹干；4)使用激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描，并控制激光能量，使钛合金表面发生微熔，在钛合金表面形成渗氧强化层。
2.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于步骤幻中粉末粒度小于150 μ m。
3.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于步骤幻中涂覆在钛合金表面的浆料厚度不超过0. 2mm。
4.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于步骤4)中激光器对涂覆有浆料的钛合金表面进行扫描的工序在大气环境下完成。
5.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于步骤4)后还包括对加工后的钛合金进行快速冷却。
6.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于步骤4)中采用的激光器为二氧化碳激光器。
7.根据权利要求1所述的钛合金的激光渗氧硬化方法，其特征在于采用激光对钛合金需要强化加工的区域进行连续扫描并搭接。
全文摘要
本发明公开了一种钛合金的激光渗氧硬化方法，该方法采用激光辐照钛合金表面，由于钛金属会使激光能量大部分反射，在钛合金表面添加含TiO2的氧化物粉末，使用粘结剂将氧化物粉末覆盖在钛合金表面，并使用激光对钛合金表面进行辐照使钛合金表面发生微熔，从而形成渗氧层，本发明实施例的方法，利用激光对表面添加有TiO2的钛合金进行处理后，钛合金表面硬度可以达到500-850Hv，硬化深度可以达到100-200μm，有效的提高了钛合金在摩擦环境下的使用寿命。
文档编号C23C24/10GK102560479SQ201210073158
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者张敏, 陈长军 申请人:苏州大学