專利名稱：鈦合金的激光滲氧硬化方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料的表面化學熱處理方法，尤其涉及一種鈦合金的激光滲氧硬化方法。
背景技術(shù)：
鈦合金的比強度與比剛度非常高，而且非常耐蝕，同時也非常適合作為人體植入材料，但遺憾的是鈦合金的表面硬度低，不耐磨，從而限制了鈦合金在載荷或摩擦磨損場合的應用。針對鈦合金硬度低的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中有很多解決辦法，其中，最有發(fā)展前景且最廉價的辦法就是表面改性技術(shù)，而眾多的鈦合金表面改性技術(shù)當中，滲氧強化比較具有特色。鈦合金的滲氧強化按照作用時間來分，一種是快速滲氧，另一種主要為在爐中加熱的辦法進行滲氧。由于采用爐中整體加熱的辦法加熱時間長，能耗大，而且不能對材料的指定區(qū)域進行加熱，從而只具有一定的適用范圍。而大多數(shù)鈦合金承受載荷的部件或應用于摩擦磨損場合的部件，一般只要求局部區(qū)域硬度較高就可以滿足使用要求，而可以局部滲氧強化和快速滲氧強化的手段可參閱于 2005年9月21日公告的發(fā)明專利，公告號為CN1219909C，該發(fā)明專利的發(fā)明名稱為“鈦或其合金的快速滲氧硬化方法”。該發(fā)明揭示的提高鈦或其合金的表層硬度的方法是利用激光照射鈦或其合金表面，在不超過鈦或其合金的相變溫度和熔化溫度之間快速加熱進行強化滲氧，然后加工去掉最表層的氧化膜，最后得到滲氧層；使用該方法對鈦或其合金進行激光強化后，使鈦或其合金的硬度提高1-2倍，硬化深度達到10-30微米，有效提高了鈦或其合金的耐磨壽命。但是該方法由于采用激光直接對鈦合金進行輻照，使用的保護氣體為環(huán)境大氣或氬氣稀釋過的氧氣，在鈦合金表面存在一種厚度的氧化膜，需要在使用前采用酸洗的辦法或機械加工的辦法進行去除，這樣的處理辦法對要求精度(尺寸精度)比較低的鈦合金可以滿足要求，如果精度要求(尺寸精度)稍高的話，就不再適用。另外激光直接輻照鈦合金的時候，鈦合金表面將大部分的激光能量反射，使得激光能量利用率非常低。因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種具有改良結(jié)構(gòu)的鈦合金的激光滲氧硬化方法，以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金的激光滲氧硬化方法，該方法在于采用激光輻照鈦合金表面，鈦合金表面涂覆由含Ti02為主的粉末，在環(huán)境大氣的條件下， 激光能量使鈦合金表面發(fā)生微熔，從而在鈦合金表面形成滲氧強化層，此種處理辦法對鈦合金的尺寸精度影響很小，甚至無影響。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案一種鈦合金的激光滲氧硬化方法，其包括如下步驟1)將鈦合金表面拋光，清理干凈；
2)將以Ti02為主體的粉末使用粘結(jié)劑調(diào)制成漿糊狀漿料；3)使用毛刷在鈦合金表面涂覆調(diào)制好的漿料，然后風干或吹干；4)使用激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描，并控制激光能量，使鈦合金表面發(fā)生微熔，在鈦合金表面形成滲氧強化層。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，步驟幻中粉末粒度小于150μπι。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，步驟幻中涂覆在鈦合金表面的漿料厚度不超過0. 2mm。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，步驟4)中激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描的工序在大氣環(huán)境下完成。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，步驟4)后還包括對加工后的鈦合金進行快速冷卻。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，步驟4)中采用的激光器為二氧化碳激光器。優(yōu)選的，在上述鈦合金的激光滲氧硬化方法中，采用激光對鈦合金需要強化加工的區(qū)域進行連續(xù)掃描并搭接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)利用激光對鈦合金進行處理后，表面硬度可以達到500-850HV，硬化深度可以達到100-200 μ m，有效的提高了鈦合金在摩擦環(huán)境下的使用壽命；(2)由于Ti02粉末的存在，一方面隔離了空氣中的一部分氧氣，使得鈦合金表面發(fā)生氧化的能力減弱，從而可以完全采用在大氣下進行激光處理；另一方面，若是直接對鈦合金進行激光滲氧處理，由于鈦合金的表面反光，會使大部分激光能量耗散在空氣中，采用了 Ti02為主的粉末涂覆在鈦合金表面，相當于激光淬火時在金屬表面涂覆了吸光劑，可以大大提高鈦合金對激光的吸收率，從而可以使相同能量下的激光滲氧強化層的深度加大， 延長材料的使用壽命。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關(guān)本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例一的金相組織圖像(從左至右，低倍到高倍)；圖2是本發(fā)明實施例一的表面形貌圖像(從左至右，低倍到高倍)；圖3是本發(fā)明實施例一的顯微硬度分布曲線；圖4是本發(fā)明實施例一的摩擦磨損實驗后的SEM圖像；圖5是本發(fā)明實施例二的金相組織圖像；圖6是本發(fā)明實施例二的掃面電鏡分析圖像；圖7是本發(fā)明實施例二的表面形貌圖像；圖8是圖7中暗灰區(qū)EDX分析圖像；圖9是本發(fā)明實施例二的表面形貌圖像；
圖10是圖9中暗灰區(qū)EDX分析圖像；圖11是本發(fā)明實施例二的表面形貌圖像；圖12是圖11中及灰白區(qū)EDX分析圖像；圖13是本發(fā)明實施例二的顯微硬度分布曲線；圖14是本發(fā)明實施例二的摩擦磨損實驗后的SEM圖像；圖15是本發(fā)明實施例三的金相組織圖像；圖16是本發(fā)明實施例三的掃面電鏡圖像；圖17是本發(fā)明實施例三的顯微硬度分布曲線；圖18是本發(fā)明實施例三的摩擦磨損實驗后的SEM圖像；圖19是本發(fā)明實施例四的金相組織圖像(從左至右，低倍到高倍)；圖20是本發(fā)明實施例四的表面形貌圖像(從左至右，低倍到高倍)；圖21是本發(fā)明實施例四的顯微硬度分布曲線；圖22是本發(fā)明實施例四摩擦磨損實驗后的SEM圖像。
具體實施例方式本發(fā)明公開了一種鈦合金的激光滲氧硬化方法，該方法在于在鈦合金表面涂覆含 Τ 02為主的粉末，由于鈦金屬會使激光能量大部分反射，在鈦合金表面添加含Ti02的氧化物粉末，使用粘結(jié)劑將氧化物粉末覆蓋在鈦合金表面，在環(huán)境大氣的條件下，使用激光對鈦合金表面進行輻照，使鈦合金表面發(fā)生微熔，從而在鈦合金表面形成滲氧強化層。采用此種處理辦法對鈦合金進行處理后，鈦合金的表面硬度可以達到500-850HV，鈦合金的硬化深度可以達到100-200μπι，有效的提高了鈦合金在摩擦環(huán)境下的使用壽命；并且，此種處理辦法對鈦合金的尺寸精度影響很小，甚至無影響。下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其包括如下步驟1)將鈦合金表面拋光，清理干凈；2)將以Ti02為主體的粉末使用粘結(jié)劑調(diào)制成漿糊狀漿料；3)使用毛刷在鈦合金表面涂覆調(diào)制好的漿料，然后風干或吹干；4)使用激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描，并控制激光能量，使鈦合金表面發(fā)生微熔，在鈦合金表面形成滲氧強化層。進一步的，步驟2)中粉末粒度小于150 μ m。進一步的，步驟幻中涂覆在鈦合金表面的漿料厚度不超過0. 2mm。進一步的，步驟4)中激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描的工序在大氣環(huán)境下完成。進一步的，步驟4)后還包括對加工后的鈦合金進行快速冷卻。進一步的，步驟4)中采用的激光器為二氧化碳激光器。進一步的，采用激光對鈦合金需要強化加工的區(qū)域進行連續(xù)掃描并搭接。
本方法是在大氣環(huán)境下完成，不需要使用真空室等復雜的設備，工藝方法簡單，實驗操作容易；并且，表面可以實現(xiàn)無膜滲氧，可直接消除氧化膜的不利影響，表面光亮；滲層深度大，而且可以控制，可處理復雜形狀的試件。
通過使用上述方法，能夠有效提高鈦合金在摩擦環(huán)境下的使用壽命。
下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明所提供的方案進行詳細描述。
實施例一
將鈦合金表面拋光、清洗干凈，使用粘結(jié)劑將以Ti02(粉末粒度小于150 μ m)為主的粉末調(diào)制成漿糊狀，用毛刷將調(diào)制好的漿糊狀粉末涂覆在鈦合金表面，厚度不超過 0. 2mm,然后風干或吹干，利用二氧化碳激光器進行掃描，激光功率為1000W，掃描速度為 lOmm/s。最后，得到的金相結(jié)果如圖1所示，掃描電鏡觀察到的結(jié)果如圖2所示，可見硬化層深度大約為ΙΟΟμπι，激光硬化處理區(qū)和基材測得的顯微硬度的分析結(jié)果如圖3所示，根據(jù)圖3可知，處理區(qū)的硬度可以達到800Ην，基體的顯微硬度為300-350HV，證明激光處理后對鈦合金進行了硬化。圖4為進行摩擦試驗后得到的劃痕結(jié)果，可以進一步證明激光快速滲氧處理后，鈦合金表面硬度得到了提高，摩擦性能得到了提升。
實施例二
將鈦合金表面拋光、清洗干凈，使用粘結(jié)劑將以Ti02(粉末粒度小于150 μ m)為主的粉末調(diào)制成漿糊狀，用毛刷將調(diào)制好的漿糊狀粉末涂覆在鈦合金表面，厚度不超過 0. 2mm,然后風干或吹干，利用二氧化碳激光器進行掃描，激光功率為1000W，掃描速度為 lOmm/s。最后，得到的金相結(jié)果如圖5所示，放大后的硬化區(qū)采用掃描電鏡觀察到的結(jié)果如圖6所示，可見硬化層深度大約為150-200 μ m。圖7_12為自激光處理區(qū)表面向基材進行成分分析的結(jié)果，具體的成分見表1，可見氧的成分自表面向內(nèi)逐漸降低，同時檢測到氮的存在，但氧的含量明顯高于氮，這證明硬化作用主要是氧的滲氧作用。圖13為激光硬化處理區(qū)和基材測得的顯微硬度的分析結(jié)果，可見處理區(qū)的硬度可以達到850Hv，基體的顯微硬度不變?yōu)?00-350HV，證明激光處理后對鈦合金進行了硬化。圖14為進行摩擦試驗后得到的劃痕結(jié)果，可以進一步證明激光快速滲氧處理后，表面硬度得到了提高，摩擦性能得到了提升。
表1實施例2的分子百分數(shù)％
權(quán)利要求
1.一種鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)將鈦合金表面拋光，清理干凈；2)將以Ti02為主體的粉末使用粘結(jié)劑調(diào)制成漿糊狀漿料；3)使用毛刷在鈦合金表面涂覆調(diào)制好的漿料，然后風干或吹干；4)使用激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描，并控制激光能量，使鈦合金表面發(fā)生微熔，在鈦合金表面形成滲氧強化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于步驟幻中粉末粒度小于150 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于步驟幻中涂覆在鈦合金表面的漿料厚度不超過0. 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于步驟4)中激光器對涂覆有漿料的鈦合金表面進行掃描的工序在大氣環(huán)境下完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于步驟4)后還包括對加工后的鈦合金進行快速冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于步驟4)中采用的激光器為二氧化碳激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的激光滲氧硬化方法，其特征在于采用激光對鈦合金需要強化加工的區(qū)域進行連續(xù)掃描并搭接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦合金的激光滲氧硬化方法，該方法采用激光輻照鈦合金表面，由于鈦金屬會使激光能量大部分反射，在鈦合金表面添加含TiO2的氧化物粉末，使用粘結(jié)劑將氧化物粉末覆蓋在鈦合金表面，并使用激光對鈦合金表面進行輻照使鈦合金表面發(fā)生微熔，從而形成滲氧層，本發(fā)明實施例的方法，利用激光對表面添加有TiO2的鈦合金進行處理后，鈦合金表面硬度可以達到500-850Hv，硬化深度可以達到100-200μm，有效的提高了鈦合金在摩擦環(huán)境下的使用壽命。
文檔編號C23C24/10GK102560479SQ201210073158
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者張敏, 陳長軍 申請人:蘇州大學