[摘 要]利用激光氣體氮化方法，實(shí)現(xiàn)了鈦合金表面氮化處理。結(jié)果表明，當(dāng)功率密度大于6.5×105W.cm-2時(shí)，生成物以TiN為主。由于Al的飽和蒸氣壓和蒸發(fā)速率均高于Ti，因此，在熔池表面形成貧鋁層，促進(jìn)了表面層Ti的氮化。熱力學(xué)分析表明，激光熔池內(nèi)生成TiN的反應(yīng)較生成AlN的反應(yīng)更具有熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)。

　　[關(guān)鍵詞]激光氮化 航空鈦合金 氮化機(jī)理

　　引言

　　鈦及其鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50 年代以來(lái)，在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展及應(yīng)用，成為當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一。用鈦合金取代不銹鋼，不但可以減輕飛機(jī)的重量，而且可以提高結(jié)構(gòu)效率。目前，鈦及其鈦合金在飛機(jī)用材中所占比例越來(lái)越高。據(jù)報(bào)道，在不同機(jī)型中，鈦合金所占比例也不盡相同。在客機(jī)波音777中為7%， 運(yùn)輸機(jī)C-17為10. 3%，戰(zhàn)斗機(jī)F-4為8%，F(xiàn)-15為25.8%，F(xiàn)-22為39%[1]。然而，由于鈦合金價(jià)格高，耐磨性差等原因，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。因此，對(duì)鈦及鈦合金表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男蕴幚恚岣咂浔砻婺湍バ院捅砻嬗捕龋陵P(guān)重要。

　　氮化鈦具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，將其用作保護(hù)層可大大提高表面硬度，改善耐磨性，有效延長(zhǎng)使用壽命[2]。A.Walker[3]等研究了鈦及其合金表面激光氮化。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)采用離子束增強(qiáng)沉積（IED）[4，5]，等離子氮化（PN）[6]等方法在鈦合金表面形成氮化鈦薄膜。但這些方法都存在涂層厚度薄、結(jié)合度低、易于剝落等缺點(diǎn)。

　　為此，本文采用激光氣體氮化方法，對(duì)鈦合金表面進(jìn)行氮化處理。該方法提高了氮化效果，簡(jiǎn)化了工藝。本文主要研究激光功率密度對(duì)氮化的影響，并對(duì)激光氮化機(jī)理進(jìn)行分析。

　　實(shí)驗(yàn)材料選用TC4合金。經(jīng)打磨、清洗后吹干待用。采用500WCO2連續(xù)激光進(jìn)行激光氮化。N2氣預(yù)熱到200°C。熱的氮束流和激光束同軸、同時(shí)到達(dá)樣品表面。激光掃描速度為100 mm/min，激光功率密度范圍為0.85×105 W.cm-2～8.5×105 W.cm-2。利用日本理學(xué)D/MAX-RB型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。

　　2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　氮化處理后的樣品表面的XRD結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，與原始樣品相比（圖1a），當(dāng)功率密度達(dá)到3.7×105W.cm-2時(shí)表面生成了氮化鈦。隨著激光功率密度的增大，氮化現(xiàn)象也逐漸明顯。當(dāng)功率密度大于7.8×105W.cm-2時(shí)，由圖1（c），（d）可看出，此時(shí)氮化層主要物相為TiN，及少量Ti2N。這是因?yàn)楫?dāng)功率密度較低時(shí)，一方面不能在鈦合金表面形成激光熔池，另外也不能使氮?dú)獗怀浞旨せ睿蚨茈y形成氮化。

　　經(jīng)預(yù)熱處理后，氮分子吸收一部分熱能后，使得分子內(nèi)能增加，再受到激光輻照時(shí)，很容易變成氮離子。另外，熱的氮束流更能促進(jìn)熔池內(nèi)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使Ti充分與N原子反應(yīng)，促進(jìn)了氮化反應(yīng)的進(jìn)行。

　　值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中采用的Ti-6Al-4V合金，理論上，氮化物中應(yīng)該有AlN生成，但實(shí)際卻沒(méi)有檢測(cè)到。其原因可歸結(jié)如下：

　　第一，在激光熔池表面，除了存在熔化、氮化過(guò)程外，還存在金屬元素的蒸發(fā)過(guò)程。哪種元素蒸發(fā)的快，相應(yīng)地在表面這種元素與氮發(fā)生冶金反應(yīng)生成的氮化物就少。在本研究過(guò)程中，激光氮化過(guò)程是在工業(yè)氮?dú)夥障逻M(jìn)行的。在此條件下，表面鈦和鋁均有明顯的蒸發(fā)現(xiàn)象。不同溫度下，Ti和Al的飽和蒸氣壓PTi、 PAl （單位Pa）和蒸發(fā)速率vTi 、vAl（單位g.cm-2.s-1）結(jié)果如表1所示。

　　由表1，在液態(tài)激光熔池內(nèi)，Al的飽和蒸氣壓和蒸發(fā)速率均比Ti的高很多，因此，熔池內(nèi)Al的原子百分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)低于Ti，從而在熔池表面形成一個(gè)貧鋁層，促進(jìn)了表面層內(nèi)Ti的氮化過(guò)程。

　　另外，從熱力學(xué)角度來(lái)看，氮?dú)馀c鈦反應(yīng)生成TiN的吉布斯自由能計(jì)算結(jié)果如表2所示。可以看出，TiN和AlN的生成反應(yīng)的△G都為負(fù)值，相同溫度下，TiN反應(yīng)的？G比AlN的更小些。因此，生成TiN的反應(yīng)更具有優(yōu)勢(shì)。

　　激光功率密度對(duì)氮化效果有很大影響。當(dāng)功率密度大于6.5×105W.cm-2時(shí)，生成以TiN為主的氮化層。在相同的溫度下，Al的飽和蒸氣壓和蒸發(fā)速率均比Ti的高很多，在熔池表面形成一個(gè)貧鋁層促進(jìn)了Ti的氮化過(guò)程。從熱力學(xué)角度分析，生成TiN的反應(yīng)更具優(yōu)勢(shì)。

　　[1] 彭艷萍，曾凡昌，王俊杰，等。國(guó)外航空鈦合金的發(fā)展應(yīng)用及其特點(diǎn)分析[ J] . 材料工程， 1997， （ 10） ： 3.

　　[2] 汪洪海，鄭啟光，陶星之，大功率 CO2 激光原位直接反應(yīng)合成TiN/Ti 復(fù)合材料的研究[J]，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1999，16（1）：111。

　　[3] A.Walker，Laser melting treatment for metal surface [J]， Surf. Eng.， 1985，1（1）：23.