一种制备钛合金表面氮化层的方法与流程

本发明属于钛合金表面改性技术领域，更具体地说，是涉及一种制备钛合金表面氮化层的方法。

背景技术：

钛合金与其他金属相比具有很多优异的性能，钛合金的密度低、比强度高、抗蚀性能和抗高低温性能优越，目前被广泛应用于军事工业、核工业、化工行业以及汽车工业等领域。然而，钛合金的表面硬度较低，在高温高压等恶劣条件下的耐磨损能力明显减弱，其表面对粘着磨损和微动磨损较为敏感等缺点减少了钛合金工件的使用寿命，进而制约了钛合金的进一步应用。氮化钛具有高硬度、高熔点、高耐磨性和高温化学稳定性等优点，是一种应用广泛的陶瓷相。但是，现有的表面氮化技术合金表面氮化层具有硬度和耐磨性能提高不明显、氮化层晶粒粗大、组织不均匀、制作成本较高、存在残余应力以及表面粗糙度较大等一系列的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备钛合金表面氮化层的方法，旨在解决现有技术中存在的硬度和耐磨性能提高较小、氮化层晶粒粗大、组织不均匀、制作成本较高、存在残余应力以及表面粗糙度较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制备钛合金表面氮化层的方法，包括以下步骤：

预处理步骤，将钛合金材料切割成块体样品，对所述块体样品的表面进行打磨，然后清洗并干燥，清除所述块体样品表面的杂质；

倒入液氮步骤，将所述块体样品放置到基板上，按所述块体样品的形状预置卡件，将所述卡件罩设在所述块体样品上，在所述卡件围设的空间内倒入液氮，然后将玻璃片盖在所述卡件的顶部开口处；

激光氮化步骤，依照预设的激光参数启动激光器对所述块体样品进行激光氮化处理；

后处理步骤，将表面氮化后的所述块体样品取出并进行真空去内应力退火，在预设时间下保温后随炉冷却至室温。

进一步地，所述壁体的顶部高于所述块体样品的表面5～15mm。

进一步地，所述液氮高于所述块体样品表面1～4mm。

进一步地，所述玻璃片的透光率在80％以上，所述玻璃片的厚度在2～8mm之间。

进一步地，所述激光参数为激光功率50～450w，激光扫描速度为1～20mm/s，搭接率10～50％，光斑直径1～5mm。

进一步地，所述真空去应力退火中炉内真空度为1×10^-3pa，炉内温度400～800℃。

进一步地，所述预设时间为30～180min。

进一步地，所述激光器为ylm-450/4500-qcw-mm型激光焊接/切割系统。

进一步地，所述卡件包括：

壁体，罩设在所述块体样品的表面上；和

补液器，通过进液口与所述壁体连接，用于向所述壁体的内部补充液。

进一步地，所述卡件还包括密封圈，所述密封圈的侧面与所述壁体的内壁连接，且设有用于与所述块体样品抵接的倾斜面，所述密封圈用于密封所述壁体与所述块体样品之间的间隙。

本发明提供的管道连接的有益效果在于：与现有技术相比，本发明公开了一种制备钛合金表面氮化层的方法，将钛合金材料切割成块体样品，并对块体样品的表面进行预处理步骤，即对块体样品的表面进行打磨，然后清洗并干燥，从而清除块体样品表面的杂质，减少杂质对所形成的氮化层的影响，提高氮化质量；之后进入倒入液氮步骤，将块体样品放置到基板上，按块体样品的形状预置卡件，将卡件罩设在块体样品上，在卡件围设的空间内倒入液氮，然后将玻璃片盖在卡件的顶部开口处，收纳槽使液氮在实验过程中不至于流失，卡件根据块体样品的尺寸套设在块体样品的外边，从而完成了激光氮化处理的准备阶段，然后进行激光氮化步骤，依照预设的激光参数启动激光器对块体样品进行激光氮化处理，最后为后处理步骤，将表面氮化后的块体样品取出并进行真空去内应力退火，在预设时间下保温后随炉冷却至室温，最终得到均匀致密、表面平整度高、表面性能优异的钛合金表面氮化层结构，该制备钛合金表面氮化层工艺简单成本较低，并且易于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明实施例1提供的块体样品的安装固定结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的块体样品的安装固定结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种氮化处理后制备的氮化钛涂层的截面形貌图；

图4是本发明实施例2提供的一种氮化处理后制备的氮化钛涂层的截面形貌图；

图5是本发明实施例3提供的一种氮化处理后制备的氮化钛涂层的截面形貌图；

图6是本发明实施例4提供的一种氮化处理后制备的氮化钛涂层的截面形貌图。

图中：1、玻璃片；2、液氮；3、密封圈；4、块体样品；5、补液器；6、出气口；7、壁体。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-6所示，现对本发明提供的一种制备钛合金表面氮化层的方法进行说明。一种制备钛合金表面氮化层的方法，包括以下步骤：

预处理步骤，将钛合金材料切割成块体样品4，对所述块体样品4的表面进行打磨，然后清洗并干燥，清除所述块体样品4表面的杂质。

倒入液氮2步骤，将所述块体样品4放置到基板上，按所述块体样品4的形状预置卡件，将所述卡件罩设在所述块体样品4上，在所述卡件围设的空间内倒入液氮，然后将玻璃片1盖在所述卡件的顶部开口处。

激光氮化步骤，依照预设的激光参数启动激光器对所述块体样品4进行激光氮化处理。

后处理步骤，将表面氮化后的所述块体样品4取出并进行真空去内应力退火，在预设时间下保温后随炉冷却至室温。

本发明提供的管道连接的有益效果在于：与现有技术相比，本发明公开了一种制备钛合金表面氮化层的方法，将钛合金材料切割成块体样品4，并对块体样品4的表面进行预处理步骤，即对块体样品4的表面进行打磨，然后清洗并干燥，从而清除块体样品4表面的杂质，减少杂质对所形成的氮化层的影响，提高氮化质量；之后进入倒入液氮2步骤，将块体样品4放置到基板上，按块体样品4的形状预置卡件，将卡件罩设在块体样品4上，在卡件围设的空间内倒入液氮2，然后将玻璃片盖在卡件的顶部开口处，收纳槽使液氮2在实验过程中不至于流失，卡件根据块体样品4的尺寸套设在块体样品4的外边，从而完成了激光氮化处理的准备阶段，然后进行激光氮化步骤，依照预设的激光参数启动激光器对块体样品4进行激光氮化处理，最后为后处理步骤，将表面氮化后的块体样品4取出并进行真空去内应力退火，在预设时间下保温后随炉冷却至室温，最终得到均匀致密、表面平整度高、表面性能优异的钛合金表面氮化层结构，该制备钛合金表面氮化层工艺简单成本较低，并且易于操作。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图1，卡件的上端面高于块体样品4表面3～15mm，在壁体7的上端盖上玻璃片1后，玻璃片1与块体样品4之间形成了腔体，用于盛放液氮2，根据实验要求的不同，在激光氮化过程中，若块体样品4表面积较小，实验过程中，液氮2气化程度较低，卡件、块体样品4和玻璃片1可以组成密闭空间。而对于块体样品4表面积较大，或者氮化过程中液氮2需求较大，导致在实验过程中液氮2气化产生的氮气较多，则可在卡件上部开设格栅状开口，玻璃片1可放置在格栅状开口的上端，格栅状开口用于疏散液氮2气化产生的氮气。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图1，液氮2高于块体样品4表面1～4mm，根据块体样品4表面积的不同，所倒入液氮2的高度也不同，并且在激光氮化处理过程中，不可避免的增强了液氮2的挥发作用，由于补液器5与卡件相连，在实验过程中能够保证液氮2完全覆盖块体样品4的表面，保证了氮化层的质量。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，玻璃片的透光率在80％以上，玻璃片的厚度在2～8mm之间，透光率的提高减少了激光照射时能量的损耗，并且合理选择玻璃片的厚度，减少了资源的浪费。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，激光参数为激光功率50～450w，激光扫描速度为1～20mm/s，搭接率10～50％，光斑直径1～5mm，通过大量实验的数据得出，在该参数情况下，结合液氮2本身的特性，所制备出来的氮化层均匀致密、表面平整度高。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，真空去应力退火中炉内真空度为1×10^-3pa，炉内温度400～800℃。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，预设时间为30～180min。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，激光器为ylm-450/4500-qcw-mm型激光焊接/切割系统。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图3，将钛合金材料ti-20zr-6.5al-4v合金切割成块体样品4，用160目、320目、400目水磨砂纸对待处理表面逐次进行打磨，然后用超声波清洗并用吹风机干燥。将待氮化样品放置到基板上，且被氮化表面朝上，按样品尺寸预置卡件，卡件高度高于样品表面15mm，将液氮2倒入卡件中，其中液氮2的深度设定为5mm，并迅速盖上透光率在80％以上的玻璃片，玻璃片厚度为8mm。启动激光器进行激光重熔处理，激光器型号：ylm-450/4500-qcw-mm型激光焊接/切割系统，激光器参数为：激光功率450w，激光扫描速度为1mm/s、搭接率10％、光斑直径1mm，依照参数制备出表面氮化层。将表面氮化后的样品取出并立即装入真空管式炉中进行真空去内应力退火，热处理炉型号：qsh-vtf-1200t；生产厂商：上海全硕电炉有限公司，真空退火工艺为：炉内真空度1×10^-3pa，炉内温度800℃，保温时间30min，随后炉冷至室温，并最终得到依据本发明方法所制备出的钛合金表面氮化层结构。经实测，依照本发明方法制备出的钛合金表面氮化层与基体相比，其硬度提升了488％，耐磨性提升了600％，其提升比率明显高于经传统方法所得到的钛合金表面氮化层。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图4，将钛合金材料tc4切割成块体样品4，用160目、320目、400目水磨砂纸对待处理表面逐次进行打磨，然后用超声波清洗并用吹风机干燥。将待氮化样品放置到基板上，且被氮化表面朝上，按样品尺寸预置卡件，卡件高度高于样品表面5mm，将液氮2倒入卡件中，液氮2的深度设定为4mm，并迅速盖上透光率在80％以上的玻璃片，玻璃片厚度为5mm。启动激光器进行激光重熔处理，激光器参数为：激光功率250w，激光扫描速度为10mm/s、搭接率30％、光斑直径3mm，依照参数制备出表面氮化层。将表面氮化后的样品取出并立即装入真空管式炉中进行真空去内应力退火，真空退火工艺为：炉内真空度1×10^-3pa，炉内温度600℃，保温时间90min，随后炉冷至室温，并最终得到依据本发明方法所制备出的钛合金表面氮化层结构。经实测，依照本发明方法制备出的钛合金表面氮化层与基体相比，其硬度提升了468％，耐磨性提升了560％，其提升比率明显高于经传统方法所得到的钛合金表面氮化层。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图5，将钛合金材料tb6切割成块体样品4，用160目、320目、400目水磨砂纸对待处理表面逐次进行打磨，然后用超声波清洗并用吹风机干燥。将待氮化样品放置到基板上，且被氮化表面朝上，按样品尺寸预置卡件，卡件高度高于样品表面3mm，将液氮2倒入卡件中，液氮2的深度设定为2mm，并迅速盖上透光率在80％以上的玻璃片，玻璃片厚度为2mm。启动激光器进行激光重熔处理，激光器参数为：激光功率50w，激光扫描速度为20mm/s、搭接率50％、光斑直径5mm，依照参数制备出表面氮化层。将表面氮化后的样品取出并立即装入真空管式炉中进行真空去内应力退火，真空退火工艺为：炉内真空度1×10^-3pa，炉内温度400℃，保温时间180min，随后炉冷至室温，并最终得到依据本发明方法所制备出的钛合金表面氮化层结构。经实测，依照本发明方法制备出的钛合金表面氮化层与基体相比，其硬度提升了455％，耐磨性提升了510％，其提升比率明显高于经传统方法所得到的钛合金表面氮化层。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图6，将钛合金材料ta15切割成块体样品4，用160目、320目、400目水磨砂纸对待处理表面逐次进行打磨，然后用超声波清洗并用吹风机干燥。将待氮化样品放置到基板上，且被氮化表面朝上，按样品尺寸预置卡件，卡件高度高于样品表面8mm，将液氮2倒入卡件中，液氮2的深度设定为3mm，并迅速盖上透光率在80％以上的玻璃片，玻璃片厚度为2mm。启动激光器进行激光重熔处理，激光器参数为：激光功率150w，激光扫描速度为15mm/s、搭接率50％、光斑直径2mm，依照参数制备出表面氮化层。将表面氮化后的样品取出并立即装入真空管式炉中进行真空去内应力退火，真空退火工艺为：炉内真空度1×10^-3pa，炉内温度500℃，保温时间120min，随后炉冷至室温，并最终得到依据本发明方法所制备出的钛合金表面氮化层结构。经实测，依照本发明方法制备出的钛合金表面氮化层与基体相比，其硬度提升了445％，耐磨性提升了500％，其提升比率明显高于经传统方法所得到的钛合金表面氮化层。

将现有技术作为对比项，现有技术中将钛合金材料tc4切割成块体样品4，用80目、120目、240目、320目、400目、600目的水磨砂纸对待处理表面逐次进行打磨，然后用超声波清洗并用吹风机干燥。将待氮化样品放置到基板上，通过送气装置侧向输送氮气，送气装置参数：喷嘴口与光斑距离为：5～15mm，氮气流速为20l/min。启动激光器进行激光重熔处理，激光器参数为：激光功率600w，激光扫描速度为300mm/min、搭接率50％、光斑直径3mm，并最终得到依据本发明方法所制备出的tc4合金表面氮化层结构，其硬度提升了400％，耐磨性提升了400％，现将现有技术得到的氮化层其硬度与耐磨度的提升量与采用本发明方法制备的4个实施例进行比较，结果如表1所示。

表1

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图2-6，本方法制备出的钛合金表面氮化层结构为枝晶状氮化钛涂层。且本发明是将氮元素以液态形式附着在块体样品4的表面，且玻璃片1及液氮2防止了周围气体杂质与合金表面的接触及反应，因此所制备出的氮化层具有致密、无氧化、表面平整度高的优点。同时无需对钛合金预先渗氮或者是在激光氮化过程中无需对合金表面以气体形式喷氮，更无需在激光氮化过程中使用氮气保护，使制备过程简单易操作。经显微组织观察及表面性能测定，通过本发明所制备的钛合金表面氮化层重熔层组织约400～800μm，扩散层组织厚度约300～600μm，树枝状晶粒细小，组织结构紧密，氮化物含量由内到重熔表层逐渐增加。与传统工艺相比，本发明所得到的氮化钛涂层的硬度和耐磨性可得到显著提升。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图1，所述卡件包括：壁体7和补液器5；壁体7罩设在所述块体样品5的表面上；补液器5通过进液口与所述壁体7连接，用于向所述壁体7的内部补充液。壁体7与所述块体样品4的外边密封连接；补液器5通过进液口与所述壁体7连接，用于向所述壁体7的内部补充液氮。壁体7用于套设在块体样品4的外部，壁体7的外部形状与块体样品4相同，且在壁体7的内壁与块体样品4的外周面之间存在等间距的缝隙。补液器5通过进液口与壁体7连接，用于补充液氮2，补液器5可为盛放有液氮2的储罐，储罐通过补液口与卡件连接，通过大气压原理，在卡件液氮2挥发减少之后，储罐内的液氮2能够及时的补充，保证了在激光氮化处理过程中，块体样品4表面上能够被液氮2所覆盖，保证了氮化处理的效果。

作为本发明提供的管道连接件的一种具体实施方式，请参阅图2，所述卡件还包括密封圈3，所述密封圈3的侧面与所述壁体7的内壁连接，且设有用于与所述块体样品4抵接的倾斜面，所述密封圈3用于密封所述壁体7与所述块体样品4之间的间隙。密封圈3与所述壁体7的内壁连接，用于密封所述壁体7与所述块体样品之间的间隙，密封圈3可为耐超低温pctfe材料，该材料能够在超低温环境下仍保持优良的使用性能。出气口6设置于所述壁体7的上部；出气口6设置于壁体7的上端面上，实验过程中，必然会导致液氮2的挥发，出气口6设置在壁体7的上部，利于液氮2挥发；出气口6为格栅状，格栅状的出气口6在满足能够在壁体7上端均匀出气的同时，能够使玻璃片1覆盖在壁体7上，密封圈3用于密封壁体7与块体样品4之间的间隙，防止液氮2从壁体7与块体样品4之间的间隙流出。密封圈3的截面为楔形，且密封圈3的上端厚度大于下端，密封圈3粘合在壁体7上，且密封圈3的截面积自上部向下逐渐减小，在淡入液氮2之前，通过密封圈3将卡件紧固在块体样品4上，并且即使由于液氮2的低温性质使密封圈3遇冷收缩，由于密封圈3的楔形结构，仍然能够防止液氮2的流出，保证了实验的正常运行与安全。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。