本发明涉及金属材料表面改性与强化技术领域 ， 尤其是涉及一种钛及钛合 金表面激光相变硬化-低温渗氮复合改性层及� �制备方法。

背景技术

钛及钛合金因其具有低密度、 高比强度、 无磁性、 良好的耐蚀性、 优异的生 物相容性、 优良的低温韧性和高温机械性能， 在航空航天、 化工和生物医学等 领域得到了广泛的应用， 同时在汽车工业、 军工、 食品及其他民用工业中的应 用也日益增加。

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。 现有技 术中常见的钛合金表面改性方法及其特点有：

表面机械强化方法工艺简单， 操作方便； 但存在表面粗糙度大、 应力分布 复杂等缺点。

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 。 但与化学气相沉积法相比， 物 理气相沉积法形成的涂层较薄， 一般在 1〜3 μ ΐϊΐ， 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物理气相沉积方法具有成 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。 传统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， 生产成本低而得到了较广泛的应用； 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。 发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术 缺陷， 提供一种特别适合用 在薄壁零件中、 具有良好耐磨耐烛性能且表面粗糙度低的钛及 钛合金表面相变 硬化-低温渗氮复合改性层。 本发明采用的技术方案是： 一种钛及钛合金复合改 性层， 其特征在于： 所述复合改性层包括制备在钛及钛合金基体上 的激光相变 硬化层和渗氮层。 本发明的技术方案还有： 所述激光相变硬化层包括完全硬化层和部分硬 化 层。 本发明的技术方案还有： 所述渗氮层包括氮化物层和氮扩散层。

本发明的技术方案还有： 所述激光相变硬化层厚度为 G. 3〜0. 8mm， 所述氮 化物层厚度为 5〜50 μ m, 所述氮扩散层厚度为 0. 03〜0. 2薩。 本发明的技术方案还有： 所述制备方法的具体步骤如下-

( 1 ) 对所述钛及钛合金基体进行表面预处理；

( 2 ) 预处理后对所述钛及钛合金基¼进行表面黑化� ��理；

( 3 ) 表面黑化处理后对所述钛及钛合金基体表面进 行激光相变硬化处理；

( 4 ) 对激光相变硬化处理的钛及钛合金基体表面进 行低温渗氮处理。 本发明的技术方案还有： 所述表面预处理的具体工艺为： 将所述钛及钛合 金基体打磨至表面粗糙度 Ra < G. 8 μ m, 在丙酮中进行超声波清洗。

本发明的技术方案还有： 基.体的表面黑化处理为： 在所述钛及钛合金基体 表面喷涂一层厚 0. 03〜0. lmm的 S i0 ₂ 吸光涂料。

本发明的技术方案还有： 所述渗氮处理在较常规渗氮温度低 100〜30(TC的 条件下实现。

本发明的技术方案还有： 所述低温渗氮处理是气体渗氮。

本发明的技术方案还有： 所述低温渗氮处理是离子渗氮。

本发明的有益效果在于： 采用本制备方法对钛及钛合金基体进行加工， 不 容易引起工件变形， 先激光相变硬化后再进行渗氮可以使渗氮温度 显著降低， 有利于降低成本、 节约能耗。 本发明中经激光相变硬化-低温渗氮复合改性� �形 成的氮化物硬化耐磨层与钛及钛合金基体间结 合强度高， 表面粗糙度低无需后 续处理， 无裂紋， 改性层厚度较大且均匀。 经表面和截面硬度测量发现， 钛及 钛合金表面硬度显著提高， 硬度沿深度方向变化均勾。 经摩擦磨损试验得出， 本发明复合改性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。 对复合改性层和基体进行耐蚀性的测试与对比 分析， 发现激光相变硬化-低温渗氮复合改性层的自� �蚀电位比基体要高， 即激光相变 硬化-低温渗氮复合改性层比基体的耐局部腐� �和全面腐蚀的能力显著提高。 因 此特别适合用在钛及钛合金薄壁零件加工中。

附图说明

图 1为钛及钛合金基体激光相变硬化实验装置示� �图；

图 2为激光相变硬化-低温渗氮合改性层结构示意� ��；

图 3为 TA2基体激光相变硬化处理后再在 430°C条件下气体渗氮的渗氮层硬 度与直接渗氮的氮化层硬度的比较；

图 4为激光相变硬化-低温气体渗氮复合处理后的 TA2基体与原始的 TA2基 体动电位极化曲线图。

其中， 1是激光束， 2是经过激光束处理的钛及钛合金基体表面， 3是钛及 钛合金基体， 4是氮化物白亮层， 5是氮扩散区， 6是相变硬化区。

具体实施方式

下面结合附图， 对本发明进行具体说明。 本发明的实施工艺步骤如下：

1、首先将钛及钛合金基体 3的表面进行打磨至表面粗糙度 Ra < G. 8 μ m， 并 在丙酮中超声波清洗；

2、 在预处理后的基体表面喷涂一层厚 0. 03〜0. lmm的 S i0 ₂ 吸光涂料；

3、 对黑化处理后的钛及钛合金基体 3用激光束 1进行激光相变硬化处理， 具体工艺参数为： 激光功率 5 G0〜3000 W, 扫描速度 500〜5000 mm/min, 光斑 尺寸为 l OmmX 1隱或 Φ 3mn！〜 5mm， 保护气体为 Ar或 N ₂ ， 气流量为 l〜40L/h;

4、 对激光相变硬化处理后的钛及钛合金基体 3进行气体渗氮或是离子渗氮 处理， 渗氮参数可选择。

实施例 1 :

对 TA2薄板进行激光相变硬化 氏温气体渗氮复合处理， 激光相变硬化处理 的工艺参数为： 激光功率 500〜3000 W， 扫描速度 500〜5000 mm/min, 光斑尺 寸为 10腿 X lmm或 Φ 3ΙΜ！〜 5隱， 保护气体 Ar， 气流量为 10〜 ³ 0L/h; 渗氮的工 艺参数为： 渗氮气体 NH ₃ ， 分解率 20%〜60%， 流量 l〜40L/h， 温度 400〜700°C， 时间 l〜10h， 压力为一个大气压。

激光相变硬化-低温气体渗氮复合处理后， TA2基体表面得到一定厚度、 性 能良好的激光相变硬化-低温气体渗氮复合改� �层。 复合改性层的截面示意图如 图 2 所示，激光相变硬化-低温气体渗氮复合改性� �总厚度为 300〜600 μ ιη， ΕΡΜΑ 对某一参数下处理的试样进行分析发现 Ν元素渗入厚度约 30 μ m，氮元素含量随 至表面深度的增加呈下降趋势。 经过显微硬度仪检测， 钛及钛合金基体 3硬度 为 HV23G, 激光相变硬化 -低温渗氮复合改性层最高硬度为 HV1002. 9， 硬度变化 曲线如图 3所示， 由图 3可知， 激光相变硬化 -低温气体渗氮后复合改性层的显 微硬度比未激光相变处理渗氮的显微硬度显著 提高。 经过摩擦磨损试验得出， 该复合改性层表面摩擦系数、 磨痕深度等都很小， 具有良好的抗摩擦的作用。 经 M283恒电位仪与 M352测试分析软件对钛合金复合改性层和钛及� �合金基体 3 进行耐蚀性的测试与对比分析发现， 激光相变硬化 -低温气体渗氮处理后的 TA2 试样自腐蚀电位比基体高出 28mV， 相比 TA2基体，激光相变硬化-低温气体渗氮 层的自腐蚀电位有升高趋势， 说明激光相变硬化-低温气体渗氮处理可以降� � 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。 动 电位极化曲线经拟合计算发现， 激光相变硬化 -低温气体渗氮层的自腐蚀电位约 为 TA2基体的 1/2， 相当于耐蚀性提高两倍， 动电位极化曲线见图 4。

实施例 2 _;

对 TA2薄板和圆管进行激光相变硬化 -低温离子渗氮复合处理，激光相变硬 化处理的工艺参数为： 激光功率 500〜3000 W, 扫描速度 500〜5000 mm/min, 光斑尺寸为 10隱 X I隱或 Φ 3讓〜 5讓， 保护气体 Ar， 气流量为 10〜30L/h; 渗 氮过程为： 将炉体抽真空至 10Pa， 开启高压启动， 使电压调至 600V左右， 通入 H ₂ 和 N ₂ ， 调节电压、 电流占空比等参数使炉内温度达到指定温度， 气体总流量 约 150ml/min， 温度为 400〜600°C， 时间 1〜： L 0h， 炉内压力 10〜： L 00Pa。 处理 后基体表面可得到一定厚度、 表面光洁且均匀的激光相变硬化-低温离子渗� �复 合改性层。 经检测， 复合改性层的硬度、 耐磨性和耐蚀性较 TA2 基体都得到显 著提高。

当然， 上述说明并非对本发明的限制， 本发明也不仅限于上述举例， 本技 术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内 所做出的变化、 改型、 添加或替 换， 也属于本发明的保护范围。