激光维持等离子体钛合金表面渗氮研究进展

郭晋昌^1,2，石玗¹，耿培彪¹，朱明¹

1. 兰州理工大学省部共建有色金属先进材料加工与再利用国家重点实验室2. 陇东学院机械工程学院

摘 要：钛合金具有强度高、密度小等诸多优点,在航空航天等行业具有广阔的应用前景,但是硬度低和耐磨性差限制了其进一步应用。利用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等方法可提高钛合金表面硬度和耐磨性,但是这些方法存在效率低等缺点。钛合金表面激光气体渗氮可快速提高钛合金表面硬度和耐磨性,但是渗氮工艺复杂,需要解决很多科学和技术问题。国内学者开始重视此方面研究,国外学者的研究已经取得了一些成果,目前的研究热点是渗氮过程的机理和等离子体对渗氮过程的影响。最近几年,国外学者采用高速摄像配合不同波长的透镜对等离子体进行系统化拍摄研究,对氮等离子体产生的条件以及等离子体对能量传输、防止渗氮层氧化、增加渗氮层氮含量的作用有了较深入的认识。目前的研究认为氮离子对激光渗氮是有益的,并且等离子体是实现高质量渗氮的核心。在以上研究的基础上,发展了激光维持等离子体渗氮方法,该方法采用激光诱导产生氮等离子体,并在大激光功率、大离焦距离和大扫描速度的工艺参数下渗氮;进一步研究了离焦距离、扫描速度及氮氩比例等工艺参数对激光维持等离子体渗氮过程的影响。激光维持等离子体渗氮层容易开裂,为解决渗氮层开裂问题,发展了两步法激光维持等离子体渗氮方法:第一步激光诱导产生氮等离子体,实现基体大量渗氮;第二步在氩等离子体中用激光重熔渗氮层,消除裂纹。两步渗氮法增强了对渗氮层性能的控制能力,可使得渗氮层性能更优。另外,对渗氮过程进行了定量研究,发现激光扫描速度与钛合金表面熔池存在时间呈线性关系,并且激光扫描速度与渗氮层氮含量呈线性关系,渗氮层硬度和树枝晶含量也呈线性关系;最后研究了两步法激光维持氮等离子体渗氮层的耐磨性,提出渗氮层耐磨性增强的机理。本文综述了激光维持等离子体钛合金表面渗氮的研究进展,分别介绍了等离子体的作用,激光维持等离子体渗氮方法,两步法激光维持等离子体渗氮方法,提出了未来亟需解决的重点问题及有效的研究方法,为未来的研究工作提供参考。

关键词：激光维持等离子体;钛合金;激光渗氮;两步法渗氮;