表面硬度

金屬鈦和鈦合金, 由於其高強度低密度和優良的抗化學腐蝕性能, 在很多領域得到廣泛套用。但由於其表面耐磨性差, 使其套用範圍受到極大限制。進行鈦和鈦合金的表面改性, 提高其表面耐磨性和表面硬度, 是相當重要的。由於氮化物是一種具有高硬度、耐磨損的難熔金屬化合物, 且具有良好的穩定性, 因此將其用做鈦和鈦合金的保護層能大大提高其表面硬度, 有效延長使用壽命。除此而外, 由於氮化鈦還具有良好的化學穩定性、獨特的顏色等特點, 使其在半導體的擴散阻擋層、裝飾行業等均有廣泛的套用。雷射氣體氮化是在氮氣的環境中, 通過雷射輻照熔化鈦合金表面, 在熔化層中生成TiN硬質相, 使鈦合金表面硬度提高,從而改善其耐磨損性能。研究發現, 雷射氣體氮化參量對熔化層中生成的TiN 數量和TiN 層的厚度有影響, 而TiN 的數量和TiN 層的厚度將影響氮化後鈦合金的表面硬度。此外, 雷射器輸出的光束功率密度均勻性不高, 會導致雷射作用區域內材料���理程度不一致。

雷射氣體氮化實際上是利用高能雷射束在高純氮氣中對鈦及鈦合金進行表面熔化。氮氣在高能雷射束輻照作用下與熔池中高溫鈦及鈦合金金屬液發生強烈的化學、冶金互動作用, 從而顯著改變熔池中金屬液的化學成分和組成, 最終快速凝固後獲得以硬質氮化鈦(TiN) 為增強相的氮化層。在不同的雷射氮化參量作用下, TA2 鈦合金表面生成的TiN 數量會隨之變化。

提高雷射功率, TA2 鈦合金表面氮化區域內生成的TiN 枝晶數量增多, TiN 層量和分布等特點是鈦合金表面硬度提高的主要原因。TiN 數量越多、TiN 層越厚、TiN 分布越均勻, 鈦合金表面硬度就越高。提高雷射功率、降低雷射掃描的速度, 增大氮氣的流量, 使更多的氮溶入到熔池中。熔池冷卻後, 鈦合金表面氮化區內生成的TiN 枝晶增多, TiN 層增厚, TiN 分布更均勻, 因而TA2 鈦合金表面硬度提高。

帶式積分鏡是在球面或非球面反射式聚焦鏡的迴轉面且相互垂直的方向上採用多個帶形反射斜面來代替傳統曲面, 這樣就使得光束聚焦後為一定尺寸的矩形焦斑, 光斑內雷射光強均勻分布, 這個矩形焦斑一個邊的長度是由反射式斜面的長度來決定, 另一個長度則由離焦量來確定。本研究採用的帶式積分鏡將光束變換為1mm×7mm的矩形焦斑。

在離焦量為70mm 時, 採用高斯形式分布雷射束氮化處理後的氮化區域寬度也僅有3mm。採用矩形形式分布光束處理的氮化區域在離焦量為零的情況下寬度能夠達到7mm。顯然採用矩形光束時TA2鈦合金表面雷射氮化區域寬度是原始形式光束處理的氮化區域寬度的2 倍多。可見在選用相同的雷射氣體氮化參量的情況下, 採用帶式積分鏡可有效提高鈦合金表面的氮化處理效率。

在鈦合金表面雷射氮化處理時對雷射光束功率密度分布的均勻性有較高的要求, 光束分布越均勻, 在材料表面生成的TiN 的分布均勻性就越高。TA2 合金基體的表面硬度約為200HV0.2。雷射氣體氮化是利用TiN 具有較高硬度的特點(TiN 的硬度值可以達到2000HV0.2), 這種堅硬的物質分布到相對較軟的鈦基體材料中, 從而使得鈦合金表面硬度得到提高。因此如果鈦合金表面的TiN 層越厚、TiN 數量越多、分布越均勻將使得鈦合金表面平均硬度越高。

其中採用原始高斯形式分布的聚焦光束處理的TA2 鈦合金氮化區域表面硬度達到800HV0.2 以上的區域只占整個氮化區域的35%, 其表面硬度的分布形式呈高斯狀, 平均表面硬度值為718HV0.2。而採用帶式積分鏡得到矩形光束分布處理後的TA2 鈦合金, 在整個氮化區內表面硬度分布較均勻, 其變化較均勻平緩。材料表面硬度達到800HV0.2 以上的區域可達到整個氮化區域的82%。

氮化處理區域的平均表面硬度為934 HV0.2, 是高斯形式光束處理結果的1.3 倍。可見經帶式積分鏡光束整形後, 矩形形式分布光束功率密度分布較均勻, TA2 鈦合金表面生成的TiN 分布的均勻性得到有效提高, 雷射氮化效果顯著。

(1) 雷射氮化使TA2 鈦合金表面硬度提高。雷射氮化���鈦合金表層生成TiN, 是鈦合金表面硬度提高的主要原因。

(2) 提高雷射功率、增大氮氣流量、降低掃描速度, TA2 鈦合金表層熔化區內生成的TiN 數量增多、TiN 層厚度增大、TiN 分布更均勻, TA2 鈦合金表面硬度就越高。

(3) 採用帶式積分鏡進行光束變換後, 雷射束分布的均勻性得到顯著提高。鈦合金平均表面硬度是高斯形式分布光束處理的1.3 倍, 可以將雷射氮化處理效率提高2 倍以上。