本發(fā)明涉及鈦及鈦合金的表面改性領域，更具體地涉及一種鈦及鈦合金表面制備細晶ti3al/tin梯度涂層的方法和裝置。

背景技術：

眾所周知，鈦及鈦合金具有比強度高、疲勞強度高、耐腐蝕性好以及生物相容性好等優(yōu)點，在高溫和低溫條件下力學性能均良好，而且某些鈦合金還具有記憶、超導、儲氫等特殊功能。其中，ti6al4v合金具有良好的綜合性能和優(yōu)異的力學性能，已被廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)學、化工工業(yè)等領域。但是，鈦合金自身也有不足之處，它的硬度低，耐磨性能差，這些缺點嚴重限制了鈦合金的應用范圍。在實際的工程應用中，材料的失效往往起源于表面，比如材料的疲勞、腐蝕和磨損等，材料的表面性能及狀態(tài)對材料失效的影響非常大，直接影響到材料在工程應用中的綜合性能指標。因此，對鈦合金進行表面強化處理就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的ti3al/tin涂層由于具有較高的硬度及較好的高溫穩(wěn)定性，已經廣泛應用于提高鈦合金的耐磨性及抗高溫氧化性能。但是經過測試，傳統(tǒng)的ti3al/tin往往制備工藝復雜、耗費時間長、成本較高、一次性完成復合涂層的合成還很難實現，尤其是因為激光處理過程的快速加熱與快速降溫會導致表面的殘余應力非常大，會導致涂層表面產生氣孔與裂紋。因此應用物理或者化學的方法降低表面的殘余應力具有重要的研究意義。

現有技術傳統(tǒng)的ti3al/tin制備方法包括空氣中直接激光處理法、表面涂覆合金層后激光輻射法等，但是，前一制備方法的缺點是氧氣易摻雜到涂層中去，影響涂層，后一制備方法的缺點是涂層分層嚴重，結合強度略差。此外，傳統(tǒng)的激光表面處理所制備的涂層易出現表面產生裂紋、表面粗糙度大、基體易變形、氮化層晶粒粗大等現象。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鈦及鈦合金表面制備細晶ti3al/tin梯度涂層的方法和裝置，從而解決現有技術中傳統(tǒng)的ti3al/tin制備工藝復雜、耗費時間長、成本較高，易在表面產生裂紋、表面粗糙度大、基體易變形和氮化層晶粒粗大的缺陷。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：

根據本發(fā)明的第一方面，提供一種鈦及鈦合金表面制備細晶ti3al/tin梯度涂層的方法，所述方法是在氮氣氣氛下，同時對工件基體的鈦及鈦合金表面進行激光掃描處理、同步原位送鋁粉和超聲振動處理，從而在所述鈦及鈦合金表面制備出細晶ti3al/tin梯度涂層。

本發(fā)明所提供方法的工作原理是：利用高能激光束輻射工件基體的鈦及鈦合金表面，使表面材料融化，熔融態(tài)的基體中的鈦元素、鋁元素與高純氮氣反應生成硬質的枝晶狀的tin及晶間固化物ti3al等，同時利用超聲振動對tin枝晶生長的阻礙效應打斷枝晶生長，主要降低表面應力，然后在氮氣的環(huán)境中冷卻，即可生成理想的梯度涂層。所謂“梯度涂層”，即為組成成分隨深度的變化而變化的涂層。

所述方法具體包括：1)將所述工件基體固定在容納于一密封箱體中的超聲振動平臺上，所述密封箱體中持續(xù)充入氮氣；以及2)向所述工件基體施加超聲振動和激光掃描，同時利用同軸送粉器同步向激光掃描處注入鋁粉以及向激光掃描處輸送氮氣，從而在所述工件基體的鈦及鈦合金表面形成細晶ti3al/tin梯度涂層。

優(yōu)選地，所述超聲振動的功率為20-100w，振動頻率為0-40khz，振動波形為方波或正弦波振動；所述激光掃描的激光功率1500-3000w，掃描速度為300-600mm/min；所述氮氣的純度不小于99.99％，流量為30-80l/min；所述鋁粉的純度不小于99.99％。

激光截面矩形尺寸優(yōu)選為1mm×6mm，使得激光掃描單位時間內處理的面積更大，更有效率。

所述方法還包括在細晶ti3al/tin梯度涂層形成后，關閉激光，過數分鐘停止超聲振動，再過數分鐘停止通入氮氣。

所述方法還包括所述鈦及鈦合金表面的預處理，所述預處理包括：對所述鈦及鈦合金表面進行超聲清洗清潔以及表面粗糙化處理。

所述表面粗糙化處理是在超聲清洗后，將所述鈦及鈦合金表面打磨平滑后進行噴砂粗糙化處理。

所述噴砂粗糙化處理中所用糙化顆粒為al2o3顆粒。優(yōu)選地，噴氣壓力為0.2mpa，噴嘴距離鈦及鈦合金表面5cm。

根據本發(fā)明所提供的方法，根據工件基體厚度的不同及涂層厚度的不同需要，適當選取激光的工藝參數，即可使所制備的細晶ti3al/tin梯度涂層層深控制在300～800μm，避免了涂層太薄，無法起到相應的保護作用，以及涂層太厚，涂層內部容易產生裂紋和孔洞，不利于涂層的連續(xù)性的缺陷。

根據本發(fā)明的第二方面，還提供一種用于鈦及鈦合金表面制備細晶ti3al/tin梯度涂層的裝置，所述裝置包括：用于固定工件基體的超聲振動平臺；與所述超聲振動平臺連接的超聲波發(fā)生器；設于所述超聲振動平臺上方的激光發(fā)生器；通過一管路向所述激光發(fā)生器的出口處輸送鋁粉的同軸送粉器；以及通過另一管路向所述激光發(fā)生器的出口處輸送氮氣的氮氣瓶；其中，所述超聲振動平臺和激光發(fā)生器容納于一密封箱體中。

所述密封箱體內預先通入氮氣。

所述激光發(fā)生器的出口與所述工件基體的表面相距0.5cm～2cm，最優(yōu)選為1.0cm。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果：方法具有操作簡便、可以局部加熱、無接觸加工，制備所需時間短，tin/ti3al涂層層深可控等優(yōu)點。激光掃描處理后形成的梯度涂層與基體之間沒有明顯界限，涂層組織均勻過渡，涂層與基體結合緊密，涂層與基體結合能力強。經檢測，tin/ti3al梯度涂層晶粒細小、沒有氣孔和裂紋等缺陷，涂層質量良好。經硬度測試可知，tin/ti3al梯度涂層硬度提高很大，且硬度隨涂層深度的變化均勻變化。經摩擦磨損實驗得出，tin/ti3al梯度涂層摩擦系數和磨痕深度都較小，并且其結構緊密，具有良好的抗摩擦磨損性能。耐磨性能提高數十倍以上。采用x-rd殘余應力測試儀測量后，經過超聲振動后的涂層表面殘余應力比未施加超聲振動的涂層降低很多。

總之，根據本發(fā)明提供的方法所制備的細晶ti3al/tin梯度涂層與現有技術相比具有如下優(yōu)點：

1)無氣孔、裂紋等缺陷；

2)涂層表面粗糙度低、晶粒細?。?/p>

3)硬度較基體具有很大提高；

4)涂層組織和硬度隨涂層深度的變化而均勻變化；

5)表面耐磨性較基體得到大幅度提高，降低了滑動磨損和黏著磨損的程度；

6)耐蝕性較基體有了很大提高，抗點蝕性能提高；

7)經過超聲振動的涂層表面的殘余應力較未施加超聲振動的涂層有明顯的降低。

附圖說明

圖1是根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的裝置的結構示意圖；

圖2是激光掃描處理后所得到的鈦及鈦合金表面氮化鈦梯度涂層剖面示意圖；

圖3是在激光功率為2.5kw時，超聲振動激光處理與未經超聲振動后在試樣截面上硬度隨該點距離表面層深度的變化對比圖；

圖4是在激光功率為2.5kw時，超聲振動激光合金化處理(左)與未施加超聲振動(右)的試樣截面近表層光鏡圖；

圖5是在單道激光掃描下，超聲振動激光合金化處理后試樣表面殘余應力與未施加超聲振動試樣表面殘余應力測試對比圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發(fā)明做進一步說明。應理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，是根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的用于在鈦及鈦合金表面制備細晶ti3al/tin梯度涂層的裝置。該裝置主要包括：超聲振動平臺1，超聲波發(fā)生器2，激光發(fā)生器3，同軸送粉器4，同軸送粉管路5，氮氣瓶6，氮氣輸送管路7，密封箱體8。其中，超聲振動平臺1用于固定工件基體10，超聲波發(fā)生器2與超聲振動平臺1信號連接，向超聲振動平臺1提供一定頻率的振動信號。激光發(fā)生器3設于超聲振動平臺1的上方，用于對工件基體10的表面提供激光掃描。從圖1中可見，超聲振動平臺1與激光發(fā)生器3容納于一密封箱體8中，密封箱體8包括軟質硅膠板外殼9，該密封箱體8在實驗開始之前通過氮氣輸送管路7預先通入高純度氮氣直至充滿。同軸送粉器4通過一同軸送粉管路5向激光發(fā)生器3的出口處輸送鋁粉，氮氣瓶6通過一氮氣輸送管路7向激光發(fā)生器3的出口處輸送氮氣。

所述激光發(fā)生器的出口與所述工件基體的表面相距0.5cm～2cm，最優(yōu)選地，為1cm。

根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，超聲波發(fā)生器2的型號為ts-1004；激光發(fā)生器3為上海團結普瑞瑪激光設備有煙公司生產的cp4000型co2激光加工系統(tǒng)；同軸送粉器4同軸輸送的鋁粉純度不低于99.99％，顆粒度大小為75μm～150μm(100目～200目)，由北京礦冶研究總院金屬材料研究所生產。

實施例1

首先，提供厚度為6mm的鈦合金基體(ti-6al-4v)作為工件基體10，對其表面進行超聲清洗，并進行表面粗糙化處理，粗糙化處理使用一種表面沙化裝置，噴氣壓力為0.2mpa，所用糙化顆粒為al2o3顆粒，噴嘴距離樣表面5cm。采用如圖1所示的裝置，首先，將工件基體10固定于超聲振動平臺1上，通過打開軟質硅膠板外殼9將超聲振動平臺1放到密封箱體8中，抽真空，待密封箱體8內的空氣完全排出后，形成真空環(huán)境，然后通過氮氣輸送管路7不斷向密封箱體8內通入高純氮氣，充氣時間>5分鐘，使密封箱體8內充滿氮氣；然后打開超聲波發(fā)生器2，待超聲波發(fā)生器2的功率達到100w，將激光發(fā)生器3打開，同時通過氮氣輸送管路7向激光束周圍通入氮氣，并利用同軸送粉器4同步在激光掃描處注入鋁粉，讓激光束11勻速掃過工件基體10，使氮氣在高溫環(huán)境下和超聲振動條件下與al、ti反應，在工件基體10的表面快速原位生成tin/ti3al復合涂層。激光功率為1.5kw，掃描速度為300mm/min，氮氣流量為50l/min。待激光掃描結束后，繼續(xù)超聲振動1分鐘并且通入高純氮氣5分鐘，直到處理過的工件基體10冷卻，然后停止充入高純氮氣。

圖2是激光掃描處理后所得到的鈦及鈦合金表面ti3al/tin梯度涂層剖面示意圖。其中，a表示表面ti3al/tin梯度涂層，b表示熱影響區(qū)，為涂層與工件基體10之間的過渡。

圖3表示激光功率2.5kw時，超聲振動激光處理與未經超聲振動激光處理后(其他條件均與超聲振動激光處理相同，僅僅是不進行超聲振動)試樣截面硬度隨該點距離表面層深度的變化對比圖。由此可知，經過超聲振動與未經超聲振動后激光處理的試樣截面硬度隨著涂層深度的增大而降低，而經過超聲振動激光處理后的試樣截面硬度整體比未經超聲振動后試樣高。

圖4是經過施加超聲振動后和未施加超聲振動的光學顯微鏡照片對比，從圖中可以看見施加超聲振動后激光處理相比未施加超聲振動所制備的涂層表面更加光滑平亮，呈金黃色，涂層表面及內部無氣孔、裂紋，涂層與鈦合金基體之間為冶金結合，組織均勻，無冶金缺陷存在，復合涂層的厚度約800μm。

圖5是在單道激光掃描下，超聲振動激光合金化處理后通過在表面涂層上不同位置分別取五點所得試樣表面殘余應力與未施加超聲振動試樣表面殘余應力測試對比圖，經過對比可知，經過超聲振動的涂層表面的殘余應力整體較未施加超聲振動的涂層有明顯的降低。

實施例2

首先，提供厚度為6mm的鈦合金基體(ti-6al-4v)作為工件基體10，對其表面進行化學超聲清洗，并進行表面粗糙化處理，粗糙化處理使用一種表面沙化裝置，噴氣壓力為0.2mpa，所用糙化顆粒為al2o3顆粒，噴嘴距離樣表面5cm。采用如圖1所示的裝置，將工件基體10固定于超聲振動平臺1上，將超聲振動平臺1放到密封箱體8中，抽真空，待密封箱體8內的空氣完全排出后，形成真空環(huán)境，然后通過氮氣輸送管路7不斷向密封箱體8內通入高純氮氣，充氣時間>5分鐘，使密封箱體8內充滿氮氣；然后打開超聲波發(fā)生器2，待超聲波發(fā)生器2的功率達到100w，將激光發(fā)生器3打開，同時通過氮氣輸送管路7向激光束周圍通入氮氣，并利用同軸送粉器4同步在激光掃描處注入鋁粉，讓激光束11勻速掃過工件基體10，使氮氣在高溫環(huán)境下和超聲振動條件下與al、ti反應，在工件基體10的表面快速原位生成tin/ti3al復合涂層。激光功率為2.5kw，掃描速度為400mm/min，氮氣流量為50l/min。待激光掃描結束后，繼續(xù)超聲振動1分鐘并且通入高純氮氣5分鐘，直到處理過的工件基體10冷卻，然后停止充入高純氮氣。

實施例3

首先，提供厚度為6mm的鈦合金基體(ti-6al-4v)作為工件基體10，對其表面進行化學超聲清洗，并進行表面粗糙化處理，粗糙化處理使用一種表面沙化裝置，噴氣壓力為0.2mpa，所用糙化顆粒為al2o3顆粒，噴嘴距離樣表面5cm。采用如圖1所示的裝置，將工件基體10固定于超聲振動平臺1上，將超聲振動平臺1放到密封箱體8中，抽真空，待密封箱體8內的空氣完全排出后，形成真空環(huán)境，然后通過氮氣輸送管路7不斷向密封箱體8內通入高純氮氣，充氣時間>5分鐘，使密封箱體8內充滿氮氣；然后打開超聲波發(fā)生器2，待超聲波發(fā)生器2的功率達到100w，將激光發(fā)生器3打開，同時通過氮氣輸送管路7向激光束周圍通入氮氣，并利用同軸送粉器4同步在激光掃描處注入鋁粉，讓激光束11勻速掃過工件基體10，使氮氣在高溫環(huán)境下和超聲振動條件下與al、ti反應，在工件基體10的表面快速原位生成tin/ti3al復合涂層。激光功率為3.0kw，掃描速度為500mm/min，氮氣流量為50l/min。待激光掃描結束后，繼續(xù)超聲振動1分鐘并且通入高純氮氣5分鐘，直到處理過的工件基體10冷卻，然后停止充入高純氮氣。

從實施例1-3的結果可以看出：采用不同的激光噴嘴掃描速度，涂層內部的微觀組織及涂層的厚度均有所改變，但是涂層與基體之間均是冶金結合。因此，根據基體厚度的不同及涂層厚度的需要，適當選取激光工藝參數即可獲得不同厚度的涂層。

根據本發(fā)明，該方法具有操作簡便、可以局部加熱、無接觸加工，制備所需時間短，ti3al/tin涂層層深可控等優(yōu)點，所制備的細晶ti3al/tin梯度涂層與現有技術相比具有無氣孔、無裂紋、表面粗糙度低、晶粒細化、硬度高、耐磨耐蝕性能良好、表面殘余應力降低等優(yōu)點。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發(fā)明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術內容。