（材料加工工程专业论文）纯钛ta2合金表面改性试验与机理研究.pdf

摘要 在优化工艺参数下，对t a 2 钛合金分别进行激光表面碳元素合金化，激光 表面气体氢化，激光表面重熔和整体淬火处理。采用x r d ，s e m 和o m 对试样 组织结构进行表征，h v s 1 0 0 0 型显微硬度计和u m t - 2 m t 型磨损试验机对显微 硬度和摩擦系数进行测试。 激光表面碳元素合金化在工业纯钛t a 2 基体上成功制得t i c ，t j 复合相涂层， 涂层具有较高的硬度和良好的耐磨损性能。s e m 结合x r d 分析结果表明：合金 化层中t i c 组织具有发达树枝状、胞枝状、十字花瓣状和球状等形貌。不同形貌 t i c 显微硬度的测试表明：球状组织显微硬度最高，为4 7 5 h v ；发达树枝状组织 为4 5 0 h v ；十字花瓣状为4 2 0 h v ；胞枝状组织最低，为3 8 0 h v 。t i c 形成机理可 分为扩散、反应和析出三个步骤。t i c 枝晶形貌与冷却速率关系研究结果表明： 随冷却速率的增加，t i c 枝晶形貌由十字花瓣状转为发达树枝状。 激光气体氮化在基体上成功制得表面呈金黄色的氮化层。s e m 结合x r d 分 析表明，氮化层主要由t i n 和a7 一t 组成，不含t j 2 n 相。显微硬度测试表明：氮 化层具有较高的显微硬度，为5 0 0 h v 。氮化层主要通过氮气向液钛中扩散，在随 后的快速凝固过程中以6 一t i n 。形式析出形成。 激光表面重熔和淬火处理快速冷却组织均发生马氏体相变，获得t i 组织。 激光表面重熔层表层生成厚度约为3 u m 厚的t i n 薄层。显微硬度测试表明：淬火 处理使退火态t a 2 硬度仅提高约l 4 ，而激光表面重熔却使硬度提高1 倍。激光表面重 熔可有效的改善基体的耐磨性。 关键词：工业纯钛；激光；淬火；组织；耐磨性；形成机理 a b s t r a c t l a s e rs u r f a c eaj j o y j n 器1 a s e rs u r f a c er e m e 】t j d ga n dq u e n c h i n gw e r ep e r f o r 脚e d o nc o m m e r c i a l p u r e t i t a n i u mt a 2w i t h o p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r s m i c r o s t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e du s i n gx r a yd i f f a c t i o n ，o p t i c a lm i c r o s c o p ya n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h ew e a rp r o p e r t i e sa n dh a r d n e s sw e r e e x a m i n e d u s i n gu m t - 2 m t w e a r t e s t e r 。a n dh v s - 1o o ot y p em i c r o h a r d n e s st e s t e r 。 t i c t ic o m p o s i t el a y e rw a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yl a s e rs u r f a c ea l l o y i n g w i t hc a r b o n t h em i c r o h a r 出1 e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fl a s e rs u r f a c ea l l o y e dl a y e r w e r eg r e a t l yi m p r o v e d t h em i c r o s t r u c t u r ea n a l y s e ss h o w e dt h a tt i t a n i u mc a r b i d e g r o w t hm o r p h o l o g i e sh a daw e l l d e v e l o p e dd e n d r i t e ， c e l l u l a rd e n d r i t e ， 9 1 0 b u l a r m i c r o s t r u c t u r ea n dc r o s s - p e t a lm i c r o s t r u c t u r ea n ds oo nt h eh a r d n e s sm e a s u r e m e n t s h o w e dt h a tt h em i c r o s t n 】c t u r ec o r r e s p o n d i n gt ot h eg l o b u l a rm o r p h 0 1 0 9 yf o rt h e t i t a n i u mc a r b i d ep h a s eh a dt h e h i g h e s tm i c r o h a r d n e s s t h em e c h a n i s mo ft h e f b r m a t i o no ft i t a n i u mc a r b i d e sc o u i db ed i v i d e di n t ot h r e ep e r i o d so fd i f m s i o n ， r e a c t i o na n dr a p i ds o l i d i f i c a t i o nt h ec a r b i d em o r p h o l o g yi nt h ea l l o y e dc o a t i n gw a s d i r e c t l yd e p e n d e n tu p o nt h es o l i d i n c a t i o nc o o l i n gr a t e a tah i g hc o o l i n gr a t e ，t h e c a r b i d em o r p h o l o g yw a sw e l l - d e v e l o p e dd e n d r i t ea st h es o l i d i f i c a t i o nc o o l i n gr a t e d e c r e a s e d ，t h eg r o w t hm o r p h 0 1 0 9 yo ft i t a n i u mc a r b i d ec h a n g e dt oc r o s s p e t a l 1 k e w i t hs y m m e t r i c a la r m s n i t r i d e d1 a y e r sw j t h9 0 1 d e ny e l l o wc o l o rw e r ef a b r i c a t e db yl a s e rg a sn i t r i d i n g t h er e s u l to fx r ds h o w e dt h a tt i nw a sd e t e c t e db u tn ot i 2 nw a sd e t e c t e dt h e m i c r o h a r d n e s so fl a s e rn i t r i d e dl a y e rw a sa b o u t5 0 0 h va n dg r a d u a l l yd e c r e a s e dt o 2 0 9 h vf o rt h et i t a n i u ms u b s t r a t e n i t r i d i n go ft i t a n i u mo c c u r r e dv i at h ei n w a r d d i f n j s i o no fn i t r o g e ni nt h em o l t e np 0 0 1t h ed i f n j s i o nc o e f f i c i e n t so fn i t r o g e ni n t i na n dn t i ( n ) p h a s e sw e r ed e t e r m i n e d d t it o 旺- t ip h a s et r a n s f o r m a t i o n so c c u r r e dw i t hr a p i dc o o l i n gr a t eb y1 a s e r s u r f a c er e m e l t i n ga n dq u e n c h i n gt h em o r p h o l o g i e so f 旺m a r t e n s i t ei nt h eq u e n c h e d a n dl a s e rs u r f a c er e m e l t e ds a m p l e sw e r ec o r r e s p o n d i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i z a t i o no f a c i c u l a rm a r t e n s i t et h ec r o s s s e c t i o nm i c r o s t r u c t u r eo fl a s e rm e l t e dl a y e rs h o w e d t h a ta3 扯mt h i c kt i nc o n t i n u o u st h i ns u r f a c er e 百o nf o r m e do nt h et o ps u r f a c eo f l a s e rr e m e l t e ds a m p l et h eh a r d n e s sm e a s u r e m e n ts h o w e dt h a tt h em i c r o h a r d n e s so f 】a s e rr e m e l t e dl a y e rw a si m p r o v e dt 0 4 2 5h vw h i l et h em i c r o h a r d n e s so ft h e q u e n c h e ds a m p l ew a si m p r o v e dt o2 7 5 h vf r o m2 2 5 h vf o rt h ea n n e a l e ds a m p l ew e a r i i r e s i s t a n c ew e r ei m p r o v e db yl a s e rs u r f a c er e m e l t i n g k e y w o r d s ： c o m m e r c i a lp u r et i t a n i u m ； l a s e r ；q u e n c h i n g ； m i c r o s t r u c t u r e ； w e a rr e s i s t a n c e ：m e c h a n i s mo ff o r m a t i o n 图 图 图 图 插图索引 工程材料示意图1 表面工程示意图2 激光表面处理示意图5 传统氮化工艺氮化层形成示意图6 图1 5典型的表面硬度层深曲线7 图16n t i 原子比与点阵常数的关系8 图1 7 表面粗糙度形貌一1 0 图1 8 激光合金化时搭接扫描示意图1 1 图l9 激光表面熔覆与激光表面合金化比较1 2 图1 1 0 单道熔覆层横截面几何形貌1 3 图11 l 复合材料涂层基体体系1 3 图1 1 2 激光表面重熔熔池1 6 图1 1 3 本文的技术路线18 图21 退火态工业纯钛t a 2 基体显微组织1 9 图22 试验用激光器2 0 图2 3 激光气体氮化原理示意图2 0 图2 4t i n 二元相图2 1 图2 5 碳元素激光表面合金化示意图2 1 图2 6t i c 系相图2 2 图2 7 激光表面重熔原理示意图2 2 图28 磨损原理示意图2 4 图3 1 工业纯钛t a 2 碳元素激光表面合金化层x 射线衍射图谱2 5 图3 2 工业纯钛t a 2 碳元素激光表面合金化层显微组织2 6 图33 三种不同组织的交接2 7 图3 4 合金化层表层质量2 8 图35 工业纯钛t a 2 碳元素激光表面合金化层显微硬度分布曲线2 8 图3 6 不同形貌t i c 组织的显微硬度2 9 图37 摩擦系数与时问关系曲线2 9 图3 8 反应自由能g 和反应生成焓h 随温度t 的变化3 0 图39 合成t i c 的反应过程模型3 2 图3 1 0t i c 晶体结构3 3 图31 1 晶体生长方式与界面过冷度关系曲线3 3 图3 1 2 二次枝晶臂凝固过程的变化3 4 图3 1 3 二次枝晶臂粗化模型3 4 图31 4 枝晶粗化原理示意图3 5 图3 1 5 二次枝晶臂间距与冷却速度关系图3 7 图3 1 6 不同冷却速度下的枝晶形貌3 8 图31 7 工业纯钛t a 2 激光气体氮化层x r d 图谱3 8 图31 8 激光气体氮化层光学组织3 9 图3 1 9 多道搭接激光气体氮化试样的微观组织4 0 图3 2 0 激光单道扫描时氮化层的形貌4 l 图32 1 激光气体氮化多道搭接处理表面形貌4 2 图32 2 激光气体氮化层显微硬度分布曲线4 2 图3 2 3 摩擦系数与时问关系曲线4 3 图32 4 不同冷却速度下的枝晶形貌4 4 图32 5 氮化试样结构示意图4 5 图32 6 氮扩散系数与温度关系4 6 图32 7 激光表面重熔层x 射线衍射图4 7 图32 8 淬火试样光学显微组织4 7 图32 9 退火态基体光学显微组织4 8 图33 0 激光表面重熔试样光学显微组织4 8 图33 1 激光表面试样宏观形貌4 9 图33 2 激光表面重熔层s e m 图4 9 图33 3 激光表面重熔试样显微硬度5 0 图33 4 摩擦系数与时间关系曲线5 1 图3 3 5 退火旺t i 与淬火态和激光表面重熔伍t i 点阵常数5 2 v 附表索引 钛的物理性能3 纯钛的力学性能3 钛的纯度与硬度的关系3 激光表面处理中最常用的3 种激光类型5 各参数对氮化层性能的影响9 表面粗糙度9 各参数增加对合金化层性能的影响1 1 各参数增加对熔覆层性能的影响1 3 w c 、s i c 及t c 的热物理性能比较1 4 工业纯钛t a 2 的化学成分1 9 二次枝晶臂间距对应的冷却速度3 8 二次枝晶臂间距与冷却速度4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 j 2 3 3 表表表表表表表表表表表表 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名日期：p 形年月幺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 作者签名 导师签名 日期：劲卅辞 日期：础 石月怔日 占月名日 第l 章绪论 1 1 前言 工程材料在使用中有诸多性能指标，如图1 1 所示。在实际应用中，工程材 料的失效多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损等失效，可见材料表 面的结构直接影响工程金属材料的综合性能指标。因此，在不降低金属材料整体 性能的前提下，通过对材料的表面进行改性，以达到延长金属材料使用寿命的目 的。基于工程需要，发展出了表面工程学科。 图1 1 工程材料示意图 表面工程可分为表面改性技术和表面涂层技术，如图1 2 所示。表面改性主 要通过改变表层材料的成分或组织中的某一方面实现。而表面涂层技术则主要通 过涂敷优于基体材料的涂层实现，故表层材料的成分和组织都改变。 s u r 恼c e 咖硼州弋兰! ：二= = 叼 图1 2 表面工程示意图 钛及钛合金是2 0 世纪4 0 年代末发展起来的一类新型结构材料，其主要特点 是比强度高、耐腐蚀、中低温性能好，同时还具有超导、记忆、储氢等特殊性能， 因而在航空、化工、电力、医疗等领域获得日益广泛的应用，而且作为尖端科学 技术材料，将具有强大的生命力川。但是钛及钛合金表面低的硬度，在滑动摩擦 条件下差的摩擦力学性能，特别是相当低的摩擦和磨损抗力，严重地限制了其应 用范围l 2 】。因此，在保持金属整体性能的前提下，通过表面处理改变表面成分或 组织，赋予金属表面高硬度、耐磨损、耐腐蚀等性能的表面工程是解决此类失效 的有效途径。 钛合金按组织类型可分为a 、p 和a + p 合金。针对钛及钛合金表面改性研究 中，应用最广泛的是a 钛合金和吐+ b 钛合金( t c 4 ) 。旺合金主要应用于化工和 加工工业，含氧量是各种级别旺合金的主要差别。作为间隙型合金化元素，氧可 以显著提高合金的强度，同时降低塑性。本文将针对合金工业纯钛t a 2 进行 激光表面改性处理。表1 1 、表1 2 和表1 3 分别给出了钛的物理性能、纯钛的 力学性能和钛的纯度与硬度的关系【3 】。 表1 1 钛的物理性能 n a m ev a l u e a t o m i cw e i g h t4 7 9 a t o m i cr a d i u s n mo 1 4 5 - t i - p t i l a t e n th e a to fp h a s e 3 4 7 t r a n s f o r m a t i o n ( k j m 0 1 ) b o i l i n gp o i n t 。c 3 1 3 0 m e l t i n gp o i n t ，0 c 1 6 6 8 5 h e a to ff h s i o n ( k j ，m 0 1 )1 8 8 t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 【w ( m k ) 】2 2 0 8 c o e m c i e to fi i n e a re x p a n s i o n k 1 7 3 5 1 0 6 r e s i s t i v i t y q m 4 2 1 0 8 s u p e r c o n d u c t i v i t yt r a n s f o r m a t i o n o 5 t e m p e r a t u r e k i 4 5 0 5 ( 2 0 。c ) ，4 4 5 ( 8 7 0 。c ) ， s p e c i f i cd e n s i t y 4 1 3 2 ( 9 0 0o c ) 表1 2 纯钛的力学性能 n a i n ev a l u e t e l i s i l es t r e n 舀ho h 门瞻3 0 0 6 0 0 y i e l ds t r e n g i l lo o 2 m p a 2 5 0 5 0 0 e x t e n s i b i l i t y6 2 0 3 0 c o n t m c t i o no f a r e a 毗4 5 b u l ke l a s t i cm o d u i u sk ，【p a 1 0 4 1 0 3 e l a s t i cm o d u l u se ，m p a1 1 2 x 1 0 3 s h e a re i a s 吐cm o d u l u sg ，m p a4 l 1 0 3 p o i s s o n sr a t i ou o 3 2 i m p a c tt o u g h n e s s 硼m 2 o 5 1 5 表1 3 钛的纯度与硬度的关系 p u r i “， 9 9 9 5 9 9 8 9 9 6 9 9 5 9 9 4 h a r d f 帕s s h v9 01 4 51 6 51 9 52 2 5 1 2 激光表面改性处理分类 一3 一 激光是上世纪六十年代出现的重大科学成就，被西方发达国家列为二十一世 纪的关键技术之一，并投入大量的人力物力进行研究和开发。众所周知，激光具 有如下特征： ( 1 ) 高方向性因为只有在腔内光轴方向往返的光才被放大，故能得到沿光 轴方向直线传播的发散角很小的光束。 ( 2 ) 高单色性因为仅仅是由e 2 一e l 所决定的光波的长才被放大，且只有两 镜反射间形成驻波的光才能产生激光振荡，故激光为单波长的光。 ( 3 ) 高相干性由于受激辐射，相位一致的光得到放大，故输出的光相干性 好。 ( 4 ) 高密度密度是指光源单位发光表面在给定的方向相上单位立体角内发 出的光功率大小。激光由于方向性好，发散立体角极小，故密度极高。经透镜聚 焦后，能在焦点附近产生几千度乃至上万度的高温。 在激光束辐照金属表面时，金属表层和其所吸收的激光进行光一热转化。当 光子和金属的自由电子相碰撞时，电子的能级提高，并将其吸收的能量转化为晶 格的热振荡。由于光子能穿过金属的能力极低，故仅使其表面的一层温度升高。 由于电子的平均自由时问只有o 0 0 1 秒左右，因此这种热交换和热平衡的建立是 非常迅速的。从理论上分析在激光加热的过程中，金属表面的极薄层可在很短的 时间内达到相变或熔化温度。这样形成热层的时间远小于激光实际辐照时间，其 厚度远低于硬化层的深度1 4 j 。 这样，当激光照射于金属表面时，激光一部分被吸收，一部分被反射，被吸 收的激光与金属表面一极薄层相互作用产生热能。在激光的照射下，材料表面被 不断加热并向深处传导，激光的功率密度增加时，表面被熔化，功率密度更高时， 金属表面将被瞬时汽化，汽化粒子在高速飞出时对金属表面产生很大的反冲力， 在材料内部形成很大的冲击波，因而能对材料进行冲击强化。总之，激光加工的 过程就是激光光束对材料的快速加热和冷却的过程。 这些特征决定了激光具有广阔的应用前景。 激光表面改性处理是一种先进的表面处理方法，具有处理周期短、工件尺寸 不受限制、表面改性层组织及厚度容易控制、可以灵活地仅对需要处理的局部区 域进行表面处理及无污染、非接触等优点【5 。利用这些特性可在母材表面形成一 定厚度的处理层，借以提高材料的耐磨性、耐蚀性等性能。针对钛及钛合金的激 光表面改性大致可分为激光表面合金化法，激光熔覆法和激光表面重熔法。表 1 4 列出了激光表面处理中最常用的3 种激光类型：c 0 2 激光( 九= 1 0 6 “m ) 、n d ： y a g 激光( 凡= 1 0 6 蚌m ) 和h p d l 激光【6 】。 一d 表1 4 激光表面处理中最常用的3 种激光类型 n d ：y a gn d ：y a g c 0 2 h p d l 1 a m p p u m p e dd i o d e p u m p e d w “e l e n g t i l ( 岬) 1 0 61 0 61 0 60 8 o 9 4 e f n c i e n c y ( ) 5 一1 01 31 0 1 23 0 5 0 p o w e r ( k w ) ，m “ 4 056 a v e r a g ep o w e r 1 0 6 81 0 5 71 0 6 。91 0 3 5 d e n s i t y ( w ，c m 2 ) s e i c ep e r i o d ( ”l 0 0 0 - 2 0 0 0 2 0 05 0 0 0 1 0 0 0 05 0 0 0 - 1 0 0 0 0 f i b e rc o u p l i n gn oy e sy e sy e s 1 2 1 激光表面合金化 激光表面合金化是指在高能量激光束的照射下，使基体材料表面一薄层与根 据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为1 0 1 0 0 0 m 的表面熔 化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达1 0 5 1 0 8 s ，又由于熔化层液体内 存在着扩散作用和表面张力等物理现象，使材料表面仅在很短时间( 5 0 u s 2 m s ) 内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金化层，这种合金化层因具有高于 基材的某些性能，所以达到表面改性处理的目的。 图1 3 激光表面处理示意图 a 一同步送粉法，b 一预置涂层法 根据钛及钛合金激光表面合金化中外加合金元素或化合物的状态分为激光 气体氮化和激光表面固体粉末合金化两种。如图1 3 为激光表面处理示意图，图 中a 、b 为两种不同的添料方式。 1 2 l l 激光气体氮化 激光气体氮化实际上是利用高能激光束在高纯氮气气氛中对钛及钛合金进 行表面熔化。氮气在高能激光束辐照作用下与熔池中高温钛及钛合金金属液发生 强烈的化学，冶金交互作用，从而显著改变熔池中金属液的化学成分及组成，最 终快速凝固后获得以硬质氮化钛为增强相的氮化层【7 ，9 ，1 0 】。虽然传统气体渗氮、 盐浴渗氮、化学气相沉积、离子植入与离子氮化等工艺也用于制备氮化层，但存 在处理周期长、渗层薄、组织控制难、需对工件整体长期高温加热等缺点，而激 光气体氮化具有氮化层与基体结合牢固、工件变形小、制备所需时间短、氮化层 深厚( 可达几百微米) 等优点而备受关注【7 ，川。图1 4 为传统氮化处理的氮化层 形成示意图。可见，随氮化时间的增加，氮化层深度增加，组织由( n ) 一t i 转变 为t i 2 n + a ( n ) 一t i 或t i n + t i 2 n + c c ( n ) t i 。t i n 具有优良的性能，如化学稳定性好， 抗蚀和抗氧化性能优良，摩擦系数低，韧性好，热硬性好。在常温下硬度为1 9 5 0 h v ，呈金黄色。 图1 4 传统氮化工艺氮化层形成示意图 研究表明：激光气体氮化可不同程度的提高钛及钛合金表面硬度。图1 5 是 激光气体氮化处理后两种典型的表面硬度一层深曲线结果【l “。由图1 5 可以发现： 钛及钛合金激光气体氮化层硬度值相差较大，氮化表面硬度下降梯度极大。这表 现在两方面：一是不同研究结果中，表面氮化层的最大硬度值相差较大。这是由 于激光气体氮化时工艺参数不同，形成的t i n 化合物性质和体积分数不同。t i n 化合物形态与n ，t i 比值有关，n t i 比值在0 6 1 o 之间均可形成t i n 化合物。n t i 比值的不同对应于化合物点阵常数不同”，如图1 6 。由于激光参数及制备工艺 的不同，表层枝晶状t i n 化合物的具体组分并不明确，一般采用表面金黄色外观 结合x r d 标定为立方t i n 。二是同一研究结果中( 图1 5 a 或图1 5 b ) ，随层深增加， 硬度快速下降。这可能是由于离表面的层深增加，与钛反应的氮量下降，生成的 t i n 化合物所占体积分数随层深增加而下降。 g ，。 l s 毫拽n c e 霎b 譬榭嚣姒喀鑫c 密 ( 速 a 图1 5 典型的表面硬度一层深曲线 辘辘嚣鬈k傅叠钳瀣蟹ph扣 晰嫩 娜 m啾。 抛 a 毒2 s 魏辱z 毒 o 。| 鹣 o 。幸2 2 o 。碡胡 o 。8o 。7o ，8o 9 o 黼黼湃馕c 鼬 图1 6n 广r i 原子比与点阵常数的关系 c g e r d e s 等人【”】对t i 一6 a l 一4 v 进行气体氮化研究，在基体表面制得了 4 0 0 5 0 0 儿m 厚的t i n 层，显微硬度由基体的3 7 0 h v o 5 增至氮化层的7 5 0 h v o5 ，而 且耐蚀性得到大大的改善。而h c m a n 等人 1 0 】采用n d y a g 激光器，在激光功 率为5 0 0 w ，扫描速率为2 m m s ，束斑直径为2 m m ，氮气流量为6 0 l m i n 的最佳 工艺参数下，制得了厚度为5 0 0 u m 厚，无裂纹孔洞，显微硬度为1 0 0 0 h v o2 至 1 5 0 0 h v o2 的氮化层，并且氮化层具有良好的耐冲蚀性。 影响激光气体氮化的工艺参数大致可分为三类 1 5 】： ( 1 ) 与激光源有关的参数：激光类型不同则影响参数不同。对脉冲n d ：y a g 激光，影响参数包括激光脉冲能量，脉冲宽度，重复频率以及扩束镜设置。对脉 冲c 0 2 激光器，这些参数是平均激光功率，脉冲宽度以及重复频率。对连续波 c 0 2 激光，相关的参数为激光功率。对这三种激光模式，还应当考虑激光束聚焦 点和工件表面间散焦距离的影响。 ( 2 ) 与送气装置有关的参数：主要包括氮气浓度和气体流量。对侧向喷嘴 而言，还需要考虑气流方向和碰撞角度。 ( 3 ) 与试样及工作台运动有关的参数：包括扫描速率，搭接率，试样的表 面状况以及温度。 激光气体氮化工艺最主要的问题是开裂。在氮化试样表面存在两种类型裂 纹：在激光氮化工艺过程中拉应力集中形成的宏观裂纹和与t i n 固有脆性有关 的微观裂纹【l5 1 。表1 5 列出了单变量增加时，常用参数对激光表面氮化层的影响。 可见：在其他条件相同时，激光功率的增加，氮化层硬度增加，开裂倾向大。激 光扫描速度增加，氮化层深减小，表面层组织中t i n 化合物体积分数减小，硬 一慧s芒煮羹joq囊薹 度下降。增大激光光斑尺寸，材料单位面积的激光功率下降，相当于减小激光功 率，氮化层深减小，表面氮化层硬度下降，开裂倾向减小。增加氮气送给量，氮 化层深增加，表面层组织中t i n 化合物体积分数增加，氮化层硬度增加，开裂倾 向加大。采用氩气稀释氮气，虽然以降低表面层硬度为代价，但却能有效减小表 面层丌裂倾向。此外预热基材可降低基材氮化层问温度差及随后的冷却速率， 减小界面处热应力，能有效地控制裂纹的产生。m l a b u d o v i c 等【1 6 】采用试验结 合a n s y s 有限元软件对激光气体氮化残余应力分析后进一步提出：除预热外， 还可通过对激光氮化试样在n 2 中进行6 0 0 3 h 的后续处理，降低表面拉应力， 控制开裂。 表1 5 各参数对氮化层性能的影响p ；i n c r s e ；- ：m d u c t i ) m a x t l l i c k n e s sh a r d n e s s c r a c k i n g l a s e r p o w e r + s c r a t e + - l a s e rs p o t + _ g a s 玎o wr a t e+ + + d i i u t en i 廿o g e n + -_ p r e h e a l + 虽然钛及钛合金激光气体氮化可获得高的表面硬度，但表面较粗糙，将基 材、激光氮化表面粗糙度对比，见表1 6 和图1 7 【1 7 l 。 表1 6 表面租糙度假a ：r o u 驰n 鸽sv a i u 峨r t m ：t h em a x i m u mp e a k - t 0 一v a i i e yr o u g h n 姻sv a l u e s ) l a s e rn i t r i d e d b a s e m e t a lp a r a l l e l p e r p e n d i c u l a o r t m1 1 63 。9 61 0 4 3 r a0 1 5 0 7 02 7 l 薹 一善f 州惭 薹l善f ”4 q ”吖w ” ”l _ l _ 1m m 绚b - m e l 曩i 9 # k 时矧西d e d ( p a 捌_ l e ld i r ) 1 m ( c ) l 躺雠越倒d 盘畦q 材删e 避舯进 图1 7 表面粗糙度形貌 激光氮化表面t i - n 化合物层的存在，提高了钛及钛合金的表面耐磨性和抗蚀性。 但激光氮化材料表面的高粗糙度使得在磨损、腐蚀等性能测试中均需对激光氮化表层进 行打磨，以及磨损、腐蚀性能测试方法的差异，在一定程度上使所测试的磨损、腐蚀性 能数据直接可比性降低。 综上所述，激光气体氮化能有效提高表面硬度、耐磨性和抗蚀性，工艺操作相对 简单，氮化层深可控，开发研究较多，具有实际应用价值。但是，钛及钛合金激光气体 氮化需要解决的问题是：实验的重复性较差，难于获得平稳渐变过渡的硬化层，存在开 裂等缺陷。同时，对于表面粗糙度要求高的钛及钛合金构件而言，粗糙的高硬度表面不 宜于直接使用，也不利于后续加工。 1 2 1 2 激光表面固体粉末合金化 激光表面固体粉末合金化是采用激光将待处理材料表面加热，基材与外加合金元素 粉末一起熔化混合，形成熔池，随后迅速凝固，在基材表面形成新的合金层。 钛及钛合金激光固体粉末合金化添加粉末种类较多，添加方式主要有同步送粉法 和预置涂层法，见图1 _ 3 。目前，在激光表面固体粉末合金化时，添加到基体上的合金 成分依据表面合金化层组织可分为三大类： 第一类是与钛形成硬质陶瓷相的粉末。可以加入合金元素、硬质陶瓷粉末或金属 陶瓷粉末复合材料( 如c ，b n ，s i c ，t i c ) 。 第二类是与钛形成金属间化合物的粉末。主要加入抗氧化性能优异的合金元素s i ， a l 。如s i 形成t i 5 s i 3 ，a l 形成t i a l ，t i 3 a l 。 第三类是形成非晶涂层。 合金成分的选择主要决定于工件使用性能要求以及合金化的工艺可能性。除此之 外，还必须考虑在激光作用下这些合金化材料在进入金属表面时的行为及其与基体金属 熔体的相互作用特征，即它们之间的溶解、形成化合物的可能性、润湿性、线膨胀系数 和比容等物理性能的匹配性，以保证得到均匀、连续、无裂纹和孔洞缺陷的合金化层。 因受激光器功率制约，目前大面积的合金化都采用多道搭接扫描( 如图1 8 所示) 。 第二次扫描是在第一次扫描的基础上完成的，存在一个搭接区，由于二次加热效应，其组 织与性能均不同于正常合金化区的组织与性能。搭接区具有形态复杂的特殊组织特征， 】o 整体上表现为一种宏观的呈周期性出现的组织状态；这种组织的周期性必然带来性能的 周期性变化。 3 2 l 图1 8 激光合金化时搭接扫描示意图 1 基体；2 预置层：3 台金化带i 4 ，合金化带i i ；5 搭接区 在优化选择的合金元素中，不管是c 、n 还是c r 、n i 等，经激光加热加入基体后 都能提高基材表面的硬度。特别是硬质相的生成，硬度提高更为明显。多数研究者得到 的硬度分布曲线具有典型的三阶梯形式。 激光合金化层的各种表面性能与添加材料的原始成分、基体成分、合金层的质量和 组织特征以及激光工艺参数有密切关系。表1 7 给出了单变量增加时，激光工艺参数对 合金化层性能的影响。可见，激光功率的增加，合金化层硬度增加，开裂倾向变大。激 光束斑变大，相当于单位面积上激光功率密度降低，因而合金化层的厚度及硬度减小， 但是却减小开裂的倾向。激光扫描速率增加，合金化层深减小，组织中强化相的体积分 数减小，硬度下降。 表1 7 各参数增加对合金化层性能的影响( + ：i c m a s e ；：r e d u c t i o n ) m a ) ( t h i c k n e s sh a r d n e s s c m c k i n g l a s e r p o w e r + + l a s e rs p o t + - s c a nr a 把+ _ _ c k s l l a 等人1 1 8 】对t i 6 a 1 4 v 进行n i a l + z r 0 2 粉末合金化，与基体相比，合金化 层显微组织细化，硬度显著提高。邵德春等【19 j 对t i 6 a 1 4 v 添加a l + n b 台金化层大气 中9 0 0 高温氧化结果表明，在合金化层形成了致密均匀的a 1 2 0 3 氧化膜，有效的防止 基体被氧化。j s e n t h i ls e l v a n 等【2 0 】对t i 6 a l - 4 v 进行b n 粉末合金化，制得了由t i n 和 t i b 组成的合金化层，合金化层的显微硬度达1 7 0 0 h v ，并且具有良好的耐腐蚀和耐磨损 性能。t i c 具有很高的熔点( 3 0 5 4 ) ，好的高温强度、好的热稳定性和耐烧蚀性能， 同时还具有高的弹性模量( 4 4 0 g p a ) 、高的硬度( 常温下3 2 0 0 h v ) 和好的耐磨性，它 已用于硬质合金材料，随着复合材料的发展，近些年来，t i c 颗粒作为增强体被广泛应 用于增强金属复合材料和陶瓷复合材料。在自生颗粒增强钛及钛合金复合材料中，众多 的研究者选用了t i c 颗粒，这是因为t i c 增强相在钛及钛合金中是热力学稳定的，t i c 的弹性模量约为钛( 1 0 2 7 g p a ) 的4 倍，密度为4 9 9 9 ，c m 3 ，比钛台金( 4 5 9 c m 3 ) 略高， t i c 的热膨胀系数( 7 4 1 0 。6 ) 与钛合金的相差在5 0 ，且与钛合金具有相同的泊松 比。陈瑶等【2 l j 对t i 6 a 1 4 v 进行激光表面碳化结果表明，合金化层中十字花瓣状t i c 增 强相呈梯度分布，具有很高的硬度和优良的抗高温滑动磨损性能。 1 2 2 激光熔覆 激光熔覆( 又称激光涂敷) 是指在基体材料表面添加熔覆材料( 采用预置粉末涂层法 或同步送粉法) ，利用激光束使之与基体表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与其呈冶 金结合的添料熔覆层。与传统的涂敷方法相比，激光熔覆具有高沉积率，高冷却速率， 低基体稀释度以及低变形等优点田】。 激光熔覆与激光表面合金化的不同在于：激光表面合金化是使添加的合金元素和基 材表面熔化混合，而激光表面熔覆是预敷层全部熔化而基层表面微熔，预敷层的成分基 本不变，只是使基材结合处变得稀释，如图1 9 1 2 3 1 。图1 1 0 是单道激光熔覆层横截面几 何形貌，熔覆层高度、宽度、深度( 或基体熔化区) 和稀释率【2 4 】。 在激光熔覆技术中，影响熔覆层性能的两个主要因素是填料方式和熔覆材料选择。 涂层制备工艺主要考虑涂层基体界面的结合力、涂层的质量( 无气孔、开裂，性能等) 和制各工艺的价格因素等。通常采用能量密度( p ，v d ) 表征激光功率、扫描速度和光斑 尺寸3 种工艺参数对激光熔覆层的影响，见表1 8 。随能量密度增加，熔深、稀释率和 熔覆层最大厚度增加，面熔覆层高度、硬度开裂减小。 图l ，9激光表面熔覆与激光表面台金化比较 图1 1 0 单道熔覆层横截面几何形貌 熔覆高度( h c ) ，熔覆深度( d c ) ，总的熔覆高度( t c ) a n d 熔