[發(fā)明專利]一種鈦合金表面低激光功率制備TiN梯度涂層的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710591680.2
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107475662B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李偉洲;童慶;吳廣毅;蔣智秋;陳泉志;董婉冰
• 申請（專利權(quán)）人: 廣西大學(xué);廣西南寧金鉑洲材料有限公司
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 李彥孚;何承鑫

本發(fā)明公開了一種鈦合金表面低激光功率制備TiN梯度涂層的方法，通過鈦合金基體預(yù)處理、送氣處理和激光氮化處理的工藝步驟獲得硬度高耐磨性好的TiN涂層。本發(fā)明制備的TiN涂層與鈦合金基體層冶金結(jié)合，涂層致密，無孔隙無裂紋；TiN涂層硬度相對于鈦合金基體得到較大提升，從界面到涂層表面硬度逐漸增加，最大提升了4～5倍；相比傳統(tǒng)滲氮工藝方法，本發(fā)明的制備環(huán)境是在常溫大氣氛圍下，無需氣密裝置，無需送粉或預(yù)涂覆材料，不僅對基體材料規(guī)格大小沒有要求，還可以對基體材料進行局部氮化，除氮氣外無需其他材料，成本低，工藝簡單，效率高，易于工業(yè)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈦合金表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈦合金表面低激光功率制備TiN梯度涂層的方法。

背景技術(shù)

鈦合金具有密度小、耐蝕性、優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于航空航天、船舶、石油、醫(yī)用器械等國防及民用高新技術(shù)領(lǐng)域中，但是鈦合金硬度低、耐磨性差、使用溫度低，當(dāng)溫度達到500℃時，鈦金屬就能與大氣中的氧、氮等元素發(fā)生強烈反應(yīng)，并迅速脆化失效，這些缺點極大的限制了鈦合金的應(yīng)用范圍。為了彌補鈦合金的缺點，在其表面制備防護涂層是一種行之有效的方法，其中TiN涂層不僅能提升鈦合金表面硬度還能有效減小摩擦系數(shù)并能提升使用溫度。傳統(tǒng)的氮化工藝如液體氮化、氣體氮化，易受到工件尺寸和形狀影響，氮化時間長達上百小時，而氮化層厚度僅在10μm以內(nèi)，與基體結(jié)合性差，易剝落，耐久差。

相關(guān)應(yīng)用的文獻如《一種鈦及鈦合金表面激光制備氮化鈦梯度涂層的方法》（申請?zhí)枺?01110052712.4），在鈦合金表面先涂覆黑色吸光材料并在激光氮化的同時加入電磁場，以制備梯度氮化涂層；專利文獻《TiN/Al 復(fù)合涂層的快速原位制備方法》（申請?zhí)枺?01210183506.1）在純氮氣氛圍的密封箱中采用同步送粉器在鈦合金試樣表面激光熔覆Al，以制備TiN/Al 復(fù)合涂層。這些制備方法需要的條件比較嚴(yán)格，需要密裝置、送粉或預(yù)涂覆材料，工藝較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鈦合金表面低激光功率自擴散氮化 制備TiN梯度涂層的方法，制備環(huán)境是在常溫大氣氛圍下，激光功率較低，無需氣密裝置，無需送粉或預(yù)涂覆材料，成本低，工藝簡單且效率高。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種鈦合金表面低激光功率制備TiN梯度涂層的方法，包括以下步驟：

（1）鈦合金基體預(yù)處理；

將鈦合金基體經(jīng)線切割成30mm*22mm*6mm的尺寸，依次用80#、120#、240#、320#、400#、600#的水磨砂紙進行表面處理，然后用無水乙醇超聲波清洗10～15min后干燥；

（2）送氣處理；

將預(yù)處理后的鈦合金基體放入送氣控制器內(nèi)，通過送氣噴嘴側(cè)向輸送氮氣；送氣參數(shù)設(shè)置為：噴嘴口與光斑距離為5～15mm，氮氣流速計控制氮氣流速為1～45L/min；

（3）激光氮化處理；

鈦合金基體經(jīng)送氣處理5～10s后，打開激光器對鈦合金基體表面進行激光氮化處理；激光參數(shù)設(shè)置為：激光聚焦鏡中心距樣品加工表面為180～220mm，激光功率為100～1200w,光斑速度為100～500mm/min，搭接率為10～50%；激光氮化處理時間為1～5min，制得TiN涂層。

進一步地，所述鈦合金為TC4鈦合金。

進一步地，所述步驟（2）中的氮氣為高純氮氣，其純度大于99.999%。

進一步地，所述步驟（3）中的激光器為光纖耦合全固態(tài)激光器，焦距為18～25mm，光斑直徑為3～5mm。

進一步地，所述步驟（2）的送氣一直持續(xù)到步驟（3）的激光氮化處理完畢。

進一步地，鈦合金表面激光氮化制備TiN涂層的整個過程都處于室溫大氣環(huán)境。