光纖激光氮化處理對(duì)TC4合金組織和性能的影響

顧玉芬, 耿培彪, 石 玗, 李 廣, 郭晉昌

(蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

TC4鈦合金具有密度小，比強(qiáng)度高，中低溫性能穩(wěn)定，生物相容性好等顯著的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得鈦合金在航空航天、武器裝備、能源與動(dòng)力及醫(yī)學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1].但是，因?yàn)門C4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(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用.在工程應(yīng)用中，由于TC4鈦合金耐磨性差，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)失效(比如汽輪機(jī)鈦合金葉片的失效)，給生產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失.因此對(duì)鈦合金進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高其耐磨性，就顯得尤為重要.傳統(tǒng)的鈦合金表面改性技術(shù)有等離子噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)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(chǎn)周期長、效率低、表面涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低、容易脫落等缺點(diǎn).通過在TC4鈦合金表面進(jìn)行激光氣體氮化處理，成功獲得以TiN為增強(qiáng)相的滲氮層.鈦合金激光表面氮化技術(shù)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(qiáng)化層與基體呈冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn).

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(shù)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(duì)工業(yè)純鈦進(jìn)行了激光氣體氮化，發(fā)現(xiàn)氮化層是富鈦結(jié)構(gòu),由TiN枝晶和α′-Ti構(gòu)成,熱影響區(qū)組織以針狀馬氏體為主，顯微硬度最高可達(dá)500 HV；Xue等[7]發(fā)現(xiàn)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(jiǎn)單物理模型，該模型以反應(yīng)擴(kuò)散為主，且應(yīng)用于低于β相轉(zhuǎn)變溫度的氮化過程.隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器因其自身優(yōu)勢(shì)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，包括操作方便，系統(tǒng)體積小，光電轉(zhuǎn)換效率高，金屬材料的吸收效率高，材料加工質(zhì)量好，系統(tǒng)穩(wěn)定性高及生產(chǎn)效率高等.因此采用光纖激光器進(jìn)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(duì)滲氮層的組織、硬度以及熔深、熔寬的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(hào)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?dú)猓梢源_保在純氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行激光表面氮化，實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(duì)實(shí)驗(yàn)樣板進(jìn)行激光氣體氮化后，沿滲氮層的橫截面對(duì)試樣進(jìn)行切割，按標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，用無水乙醇擦拭，用吹風(fēng)機(jī)吹干.進(jìn)行掃描電鏡觀察和EDS能譜分析,用FEI QUANTA FEG 450場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微組織結(jié)構(gòu).利用BHX-1型顯微硬度計(jì)測(cè)量滲氮層硬度分布，具體測(cè)試條件為：載荷500 g，加載時(shí)間為15 s.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光纖激光氣體氮化層的組織結(jié)構(gòu)

選用不同功率進(jìn)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(dāng)激光功率從小到大變化時(shí)，表面由粗糙變?yōu)楣饣?；?dāng)激光功率超過1 800 W時(shí)，表面氧化嚴(yán)重，這是因?yàn)楫?dāng)激光功率增大，表面熱輸入過大時(shí)，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(huì)混入熔池上部，導(dǎo)致表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[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(dá)106K/s)，熱影響區(qū)發(fā)生非擴(kuò)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(jīng)過硬度測(cè)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(duì)流運(yùn)動(dòng)的示意圖.在鈦-氮熔池中，隨溫度的降低表面張力增大，導(dǎo)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(cè)邊緣液體的溫度，液體從中心向兩側(cè)邊緣流動(dòng)，高溫的液體中帶有很大的熱量也使得兩側(cè)的金屬熔化.由于熔體的流動(dòng)和熔化的液體的體積增大，使熔池表面兩側(cè)邊緣的流體靜壓增大，結(jié)果兩側(cè)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(duì)流使得中心的溫度降低的同時(shí)也使兩側(cè)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(duì)細(xì)小，枝晶結(jié)構(gòu)細(xì)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(xiàn)出不同的形貌.在滲氮層內(nèi)部，由于熔體流動(dòng)劇烈，溫度梯度的分布導(dǎo)致枝晶形成生長過程中呈多向性，枝晶表現(xiàn)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(shù)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(dá)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(duì)滲氮層中1、2、3位置進(jìn)行點(diǎn)掃描的EDS能譜檢測(cè)，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(jié)果表明,樹枝晶主要是TiN相，TiN相是由融入熔池中的氮?dú)夂外伝w發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)生成的TiN枝晶，之后迅速冷卻凝固得到.因?yàn)閳D5中的3位置選于晶粒之間，沒有氮化鈦存在，因此EDS結(jié)果中沒有檢測(cè)到氮.測(cè)試結(jié)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(yuǎn)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(shì)，偶爾會(huì)出現(xiàn)氮含量增多的情況，是由于氮發(fā)生偏聚產(chǎn)生的.

圖6為激光功率為1.4 kW進(jìn)行激光氣體氮化試樣的XRD圖，從圖6可以看出，進(jìn)行激光氣體氮化實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化相.

表1 各點(diǎn)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

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(shù)一定時(shí)，激光功率對(duì)滲氮層硬度的影響曲線.1.4 kW時(shí)距離滲氮層表面0.1 mm處硬度可達(dá)1 000 HV，基材的顯微硬度為350 HV，硬度提高了近三倍.這是因?yàn)榧す夤β试礁撸瑹彷斎朐酱?，熔池吸收的能量越多，熔池深度增大，同時(shí)熔池中對(duì)流更為明顯，氮與熔池接觸時(shí)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(dǎo)致滲氮層的硬度大幅提高.

激光功率為1.4 kW時(shí)的顯微硬度與其他參數(shù)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?yàn)樵诩す夤β蕿?.4 kW時(shí)，熔池中的對(duì)流強(qiáng)烈，氮與液態(tài)熔體反應(yīng)更加充分，生成更多數(shù)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(duì)滲氮層尺寸大小的影響

首先用工業(yè)顯微鏡對(duì)滲氮層橫截面的形貌進(jìn)行了拍攝采集圖像(添加鋼直尺)；再借助比例尺軟件對(duì)每個(gè)試樣的滲氮層的深度和寬度分別進(jìn)行了3次測(cè)量，取平均值.當(dāng)掃描速度為10 mm/s、氮?dú)饬髁?0 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(shí)測(cè)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(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.熔深最大可達(dá)1 100 μm，熔寬最大約為3.6 mm.在激光功率為1.6 kW時(shí)，熔寬出現(xiàn)減小的情況，這是因?yàn)榧す夤β屎瓦\(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生的綜合作用影響了熔池對(duì)激光能量的吸收及氮在熔池中的傳輸，使得馬蘭格尼對(duì)流發(fā)生變化所致，1.6 kW時(shí)滲氮層的橫截面形貌如圖2b所示.

3 結(jié)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(jìn)一步增加，枝晶出現(xiàn)氮含量增大的反常情況，這與枝晶生長時(shí)氮的局部偏聚有關(guān).

2) 當(dāng)掃描速度、離焦量、氣體流量、噴嘴距離確定時(shí)，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(guān)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(dá)1 000 HV，與基材相比硬度提高了接近3倍，氮化層深度可達(dá)到1 mm.