顧玉芬, 耿培彪, 石 玗, 李 廣, 郭晉昌

(蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050)

TC4鈦合金具有密度小，比強度高，中低溫性能穩(wěn)定，生物相容性好等顯著的優(yōu)點，這些優(yōu)點使得鈦合金在航空航天、武器裝備、能源與動力及醫(yī)學醫(yī)療等領域被廣泛應用[1].但是，因為TC4鈦合金屬于高粘著磨損材料，硬度低、耐摩擦磨損性能差等缺點，限制了其進一步的應用.在工程應用中，由于TC4鈦合金耐磨性差，經常出現機械零部件結構失效(比如汽輪機鈦合金葉片的失效)，給生產造成經濟損失.因此對鈦合金進行表面強化，提高其耐磨性，就顯得尤為重要.傳統的鈦合金表面改性技術有等離子噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積、離子注入等方法[2]，這些方法雖然可以提高鈦合金表面的耐磨性，但是存在生產周期長、效率低、表面涂層與基體結合強度低、容易脫落等缺點.通過在TC4鈦合金表面進行激光氣體氮化處理，成功獲得以TiN為增強相的滲氮層.鈦合金激光表面氮化技術可以獲得硬度高、深度大的滲氮層，顯著提高其耐磨性，具有效率高、強化層與基體呈冶金結合等優(yōu)點.

激光氣體氮化鈦及鈦合金的基本問題是表面粗糙度高，存在裂紋以及短的疲勞壽命等問題[3].目前為止，鈦合金激光氣體氮化技術所采用的激光器大多為CO2激光器和YAG激光器[4-5]. 樊丁[6]利用5 kW的CO2快速橫流激光器對工業(yè)純鈦進行了激光氣體氮化，發(fā)現氮化層是富鈦結構,由TiN枝晶和α′-Ti構成,熱影響區(qū)組織以針狀馬氏體為主，顯微硬度最高可達500 HV；Xue等[7]發(fā)現脈沖式的Nd:YAG激光器比連續(xù)波模式下的CO2激光獲得的氮化層表面粗糙度更好且裂紋減少；Zhecheva等[8]提出了激光氮化純鈦過程中氮化層形成和生長的簡單物理模型，該模型以反應擴散為主，且應用于低于β相轉變溫度的氮化過程.隨著激光器技術的發(fā)展，光纖激光器因其自身優(yōu)勢在工業(yè)中得到廣泛應用，包括操作方便，系統體積小，光電轉換效率高，金屬材料的吸收效率高，材料加工質量好，系統穩(wěn)定性高及生產效率高等.因此采用光纖激光器進行鈦合金的激光表面氮化具有重要意義.本文采用光纖激光器研究激光功率對滲氮層的組織、硬度以及熔深、熔寬的影響.

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為工業(yè)TC4鈦合金(Ti6Al4V)板材，尺寸為100 mm×80 mm×8 mm，其化學成分分別為w(Al)=6.38%,w(V)=4.20%,w(Al)=0.175%,w(Fe)=0.13%,Ti為剩余.

1.2 實驗方法

激光氮化前先用600#金相砂紙打磨TC4合金樣板表面去除表面的雜物.激光器選用高功率光纖激光器，型號為YLS-4000，輸出功率為0～4 000 W，波長為1 064 nm，激光光斑為圓形光斑.用環(huán)隙噴嘴直接向熔池吹送工業(yè)純氮氣，可以確保在純氮氣氣氛下進行激光表面氮化，實驗裝置如圖1所示，激光離焦量為0 mm，噴嘴到工件的距離為3 mm，運動速度為10 mm/s，氣流量為10 L/min，激光功率分別為1#(1.0 kW)、2#(1.2 kW)、3#(1.4 kW)、4#(1.6 kW)、5#(1.8 kW)、6#(2.0 kW).

對實驗樣板進行激光氣體氮化后，沿滲氮層的橫截面對試樣進行切割，按標準程序制備金相試樣和腐蝕試樣，腐蝕液組分為 HF(3 mL)+HNO3(5 mL)+H2O(100 mL)，待基材表面變成乳白色時，用無水乙醇擦拭，用吹風機吹干.進行掃描電鏡觀察和EDS能譜分析,用FEI QUANTA FEG 450場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微組織結構.利用BHX-1型顯微硬度計測量滲氮層硬度分布，具體測試條件為：載荷500 g，加載時間為15 s.

2 實驗結果與分析

2.1 光纖激光氣體氮化層的組織結構

選用不同功率進行激光氮化的試樣表面形貌如圖2a所示.從左到右激光功率依次為1#(1.0 kW)、2#(1.2 kW)、3#(1.4 kW)、4#(1.6 kW)、5#(1.8 kW)、6#(2.0 kW).圖3和圖4分別為滲氮層顯微組織分布和熱影響區(qū)組織分布.由圖2a可見,當激光功率從小到大變化時，表面由粗糙變?yōu)楣饣?；當激光功率超過1 800 W時，表面氧化嚴重，這是因為當激光功率增大，表面熱輸入過大時，激光掃描后，熔池上部還未完全凝固，由于在開放大氣中，大氣中的氧會混入熔池上部，導致表面出現了嚴重的氧化現象.氮化試樣的橫截面表面組織從表面到基體由三部分組成：氮化層區(qū)、熱影響區(qū)和基材，如圖2b所示;氮化層區(qū)主要以氮化鈦枝晶為主，組織形貌表現為柱狀或者長棒狀，如圖3a、b所示；熱影響區(qū)主要由馬氏體組織組成，組織形貌表現為針狀，如圖4a所示；基體不發(fā)生任何變化.熱影響區(qū)主要由針狀馬氏體組織組成，和文獻[9]和文獻[10]中相似，如圖4所示.激光掃描過程為快速加熱過程，激光掃描過后，發(fā)生快速冷卻(一般冷卻速度可達106K/s)，熱影響區(qū)發(fā)生非擴散性相變即馬氏體相變，生成針狀馬氏體組織，硬度也較基體增大.且經過硬度測試，該組織硬度約為350 HV，高于基體硬度300 HV.

圖2c為激光熔池中液體的對流運動的示意圖.在鈦-氮熔池中，隨溫度的降低表面張力增大，導致熔融液體從熔池表面溫度高的區(qū)域流向溫度低的區(qū)域[11].由于在熔池表面，中心液體的溫度高于兩側邊緣液體的溫度，液體從中心向兩側邊緣流動，高溫的液體中帶有很大的熱量也使得兩側的金屬熔化.由于熔體的流動和熔化的液體的體積增大，使熔池表面兩側邊緣的流體靜壓增大，結果兩側溫度較低的液體流回熔池表面的中心區(qū)域[12].在熔池中的對流使得中心的溫度降低的同時也使兩側邊緣的金屬熔化.

滲氮層由不同形貌的樹枝晶組成，在靠近熔池表面處溫度梯度較大，形核率高，晶粒尺寸相對細小，枝晶結構細密.隨著熔池深度的增加，溶入熔池中的氮呈梯度分布，氮濃度從表面開始隨著熔深增加而降低，不同氮濃度的枝晶表現出不同的形貌.在滲氮層內部，由于熔體流動劇烈，溫度梯度的分布導致枝晶形成生長過程中呈多向性，枝晶表現出混亂分布的狀態(tài).隨著激光功率的增大，枝晶的方向性更加明顯，大多數枝晶垂直于熔池表面向基體方向生長.由圖3(功率1.4 kW、掃描速度10 mm/s、氣流量10 L/min)所知，滲氮層表面層的大部分氮化鈦枝晶主軸方向垂直于表面生長，也存在一些發(fā)達且無定向生長的枝晶，這是由于氮在局部區(qū)域發(fā)生偏聚，影響了枝晶的生長方向.如圖5所示對滲氮層中1、2、3位置進行點掃描的EDS能譜檢測，1和2取在滲氮層中不同深度的枝晶上，3取在枝晶晶粒之間.結果表明,樹枝晶主要是TiN相，TiN相是由融入熔池中的氮氣和鈦基體發(fā)生冶金化學反應生成的TiN枝晶，之后迅速冷卻凝固得到.因為圖5中的3位置選于晶粒之間，沒有氮化鈦存在，因此EDS結果中沒有檢測到氮.測試結果見表1.

由表1還可見，隨滲氮層深度的增加，枝晶上的氮含量減少，且枝晶上的氮含量遠大于晶粒之間的.從滲氮層表面沿深度方向一直到基體，氮化物中的氮含量大致呈梯度減少趨勢，偶爾會出現氮含量增多的情況，是由于氮發(fā)生偏聚產生的.

圖6為激光功率為1.4 kW進行激光氣體氮化試樣的XRD圖，從圖6可以看出，進行激光氣體氮化實驗的TC4合金，除了含有Ti基體相外，還存在TiN相和Al3Ti相，其中TiN相為氮化層中主要的強化相.

表1 各點的元素質量分數

2.2 激光氣體氮化滲氮層的顯微硬度及分析

圖7為其他參數一定時，激光功率對滲氮層硬度的影響曲線.1.4 kW時距離滲氮層表面0.1 mm處硬度可達1 000 HV，基材的顯微硬度為350 HV，硬度提高了近三倍.這是因為激光功率越高，熱輸入越大，熔池吸收的能量越多，熔池深度增大，同時熔池中對流更為明顯，氮與熔池接觸時間變長，生成更多的氮化鈦，由于氮化鈦是硬脆相，硬度比較大，導致滲氮層的硬度大幅提高.

激光功率為1.4 kW時的顯微硬度與其他參數下的顯微硬度相比，顯微硬度較高而且滲氮層整體硬度分布更加均勻.這可能是因為在激光功率為1.4 kW時，熔池中的對流強烈，氮與液態(tài)熔體反應更加充分，生成更多數量的氮鈦化合物.因此滲氮層硬度更高，深度也比較大.

2.3 激光功率對滲氮層尺寸大小的影響

首先用工業(yè)顯微鏡對滲氮層橫截面的形貌進行了拍攝采集圖像(添加鋼直尺)；再借助比例尺軟件對每個試樣的滲氮層的深度和寬度分別進行了3次測量，取平均值.當掃描速度為10 mm/s、氮氣流量10 L/min、噴嘴距離為3 mm、離焦量為0，激光功率為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kW時測量的滲氮層的熔深及熔寬尺寸如圖8所示.由圖可知，隨著激光功率增大，熔深及熔寬尺寸均增大，熔深、熔寬尺寸與激光功率大致呈現正相關關系.熔深最大可達1 100 μm，熔寬最大約為3.6 mm.在激光功率為1.6 kW時，熔寬出現減小的情況，這是因為激光功率和運動速度產生的綜合作用影響了熔池對激光能量的吸收及氮在熔池中的傳輸，使得馬蘭格尼對流發(fā)生變化所致，1.6 kW時滲氮層的橫截面形貌如圖2b所示.

3 結論

1) 光纖激光氣體氮化TC4鈦合金氮化層組織主要為樹枝晶，隨滲氮層深度的增加，枝晶上的氮含量減少.隨滲氮層深度進一步增加，枝晶出現氮含量增大的反常情況，這與枝晶生長時氮的局部偏聚有關.

2) 當掃描速度、離焦量、氣體流量、噴嘴距離確定時，隨激光功率增大，氮化層熔深和熔寬的尺寸與激光功率大致呈正比例關系.

3) 光纖激光氣體氮化TC4鈦合金氮化層表面硬度最高可達1 000 HV，與基材相比硬度提高了接近3倍，氮化層深度可達到1 mm.