[科普中國(guó)]-表面硬度

簡(jiǎn)介

金屬鈦和鈦合金, 由于其高強(qiáng)度低密度和優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性能, 在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其表面耐磨性差, 使其應(yīng)用范圍受到極大限制。進(jìn)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(dāng)重要的。由于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(wěn)定性, 因此將其用做鈦和鈦合金的保護(hù)層能大大提高其表面硬度, 有效延長(zhǎng)使用壽命。除此而外, 由于氮化鈦還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、獨(dú)特的顏色等特點(diǎn), 使其在半導(dǎo)體的擴(kuò)散阻擋層、裝飾行業(yè)等均有廣泛的應(yīng)用。激光氣體氮化是在氮?dú)獾沫h(huán)境中, 通過激光輻照熔化鈦合金表面, 在熔化層中生成TiN硬質(zhì)相, 使鈦合金表面硬度提高,從而改善其耐磨損性能。研究發(fā)現(xiàn), 激光氣體氮化參量對(duì)熔化層中生成的TiN 數(shù)量和TiN 層的厚度有影響, 而TiN 的數(shù)量和TiN 層的厚度將影響氮化后鈦合金的表面硬度。此外, 激光器輸出的光束功率密度均勻性不高, 會(huì)導(dǎo)致激光作用區(qū)域內(nèi)材料處理程度不一致1。

激光氣體氮化參量的影響激光氣體氮化實(shí)際上是利用高能激光束在高純氮?dú)庵袑?duì)鈦及鈦合金進(jìn)行表面熔化。氮?dú)庠诟吣芗す馐椪兆饔孟屡c熔池中高溫鈦及鈦合金金屬液發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)、冶金交互作用, 從而顯著改變?nèi)鄢刂薪饘僖旱幕瘜W(xué)成分和組成, 最終快速凝固后獲得以硬質(zhì)氮化鈦(TiN) 為增強(qiáng)相的氮化層。在不同的激光氮化參量作用下, TA2 鈦合金表面生成的TiN 數(shù)量會(huì)隨之變化。

提高激光功率, TA2 鈦合金表面氮化區(qū)域內(nèi)生成的TiN 枝晶數(shù)量增多, TiN 層量和分布等特點(diǎn)是鈦合金表面硬度提高的主要原因。TiN 數(shù)量越多、TiN 層越厚、TiN 分布越均勻, 鈦合金表面硬度就越高。提高激光功率、降低激光掃描的速度, 增大氮?dú)獾牧髁? 使更多的氮溶入到熔池中。熔池冷卻后, 鈦合金表面氮化區(qū)內(nèi)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2。

激光光束分布的影響帶式積分鏡是在球面或非球面反射式聚焦鏡的回轉(zhuǎn)面且相互垂直的方向上采用多個(gè)帶形反射斜面來代替?zhèn)鹘y(tǒng)曲面, 這樣就使得光束聚焦后為一定尺寸的矩形焦斑, 光斑內(nèi)激光光強(qiáng)均勻分布, 這個(gè)矩形焦斑一個(gè)邊的長(zhǎng)度是由反射式斜面的長(zhǎng)度來決定, 另一個(gè)長(zhǎng)度則由離焦量來確定。本研究采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(shí), 采用高斯形式分布激光束氮化處理后的氮化區(qū)域?qū)挾纫矁H有3mm。采用矩形形式分布光束處理的氮化區(qū)域在離焦量為零的情況下寬度能夠達(dá)到7mm。顯然采用矩形光束時(shí)TA2鈦合金表面激光氮化區(qū)域?qū)挾仁窃夹问焦馐幚淼牡瘏^(qū)域?qū)挾鹊? 倍多?？梢娫谶x用相同的激光氣體氮化參量的情況下, 采用帶式積分鏡可有效提高鈦合金表面的氮化處理效率。

在鈦合金表面激光氮化處理時(shí)對(duì)激光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。激光氣體氮化是利用TiN 具有較高硬度的特點(diǎn)(TiN 的硬度值可以達(dá)到2000HV0.2), 這種堅(jiān)硬的物質(zhì)分布到相對(duì)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(shù)量越多、分布越均勻?qū)⑹沟免伜辖鸨砻嫫骄捕仍礁摺?/p>

其中采用原始高斯形式分布的聚焦光束處理的TA2 鈦合金氮化區(qū)域表面硬度達(dá)到800HV0.2 以上的區(qū)域只占整個(gè)氮化區(qū)域的35%, 其表面硬度的分布形式呈高斯?fàn)? 平均表面硬度值為718HV0.2。而采用帶式積分鏡得到矩形光束分布處理后的TA2 鈦合金, 在整個(gè)氮化區(qū)內(nèi)表面硬度分布較均勻, 其變化較均勻平緩。材料表面硬度達(dá)到800HV0.2 以上的區(qū)域可達(dá)到整個(gè)氮化區(qū)域的82%。

氮化處理區(qū)域的平均表面硬度為934 HV0.2, 是高斯形式光束處理結(jié)果的1.3 倍。可見經(jīng)帶式積分鏡光束整形后, 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, 激光氮化效果顯著2。

總結(jié)(1) 激光氮化使TA2 鈦合金表面硬度提高。激光氮化后鈦合金表層生成TiN, 是鈦合金表面硬度提高的主要原因。

(2) 提高激光功率、增大氮?dú)饬髁?、降低掃描速? TA2 鈦合金表層熔化區(qū)內(nèi)生成的TiN 數(shù)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) 采用帶式積分鏡進(jìn)行光束變換后, 激光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, 可以將激光氮化處理效率提高2 倍以上3。