[发明专利]一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法

说明书

本发明涉及钛合金渗氮技术领域，尤其涉及一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法，包括以下步骤：钛合金基体预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)、PVD沉积Al‑Cu‑Ti过渡层、低温等离子体渗氮，在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层；所述钛合金基体为预变形后的α+β型钛合金；所述PVD沉积功率优选为120W‑200W；所述低温等离子体渗氮温度在400℃‑550℃。采用本发明的方法可以在钛合金表面形成硬度梯度分布、层厚可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。

技术领域

本发明涉及钛合金渗氮技术领域，尤其涉及一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、高温强度高、抗蠕变和抗氧化性好等优点，被广泛用于航空、航天领域，制作螺栓、螺母、铆钉等紧固件。但是钛合金硬度低，耐磨性差，黏着磨损严重，对微动损伤敏感，限制了其应用范围。

表面强化是扩大钛合金应用范围的常用方式之一，其中渗氮工艺被广泛采用来强化钛合金表面，提高其抗磨损性能。但大量文献表明单一的表面氮化技术在钛合金表面的应用依然存在一些制约：一方面在钛合金表面制得的氮化层薄，与钛合金基体之间硬度差异大，易产生内应力，结合强度低，在实际的生产应用中很难发挥作用；另一方面，单一的表面氮化技术在提高钛合金表面强度、硬度的情况下很难同时兼顾韧性，导致所获得的氮化层较脆。

PVD是一种成分均匀、膜厚易于控制、绿色环保的薄膜沉积方法，大多数金属、陶瓷、合金材料都可用作靶材，在材料表面、光学薄膜、微电子器件领域有着极其广泛的应用。

低温等离子体渗氮通过辉光放电不仅能在保持钛合金原有性能不变的情况下为氮原子向基体内部扩散提供热力学条件，而且能使活性氮离子与材料表面产生反应形成高硬氮化物或含氮固溶体，显著提高表面硬度。

因此，为了改善氮化层与钛合金基体之间结合力差、厚度小、脆性大的问题，在钛合金上利用PVD与低温等离子体渗氮技术制备硬度梯度分布、层厚可调的氮化层。首先，对预变形后的α+β型钛合金进行预处理(打磨、抛光、清洗、烘干)，然后通过PVD沉积Al-Cu-Ti过渡层，最后将沉积了Al-Cu-Ti过渡层的试样放进低温等离子体渗氮炉中进行渗氮。由于在低温等离子体渗氮过程中Al-Cu-Ti过渡层中各层与N原子形成的氮化物硬度不同，Ti-N形成的氮化物硬度在2000HV左右，Al-N形成的氮化物硬度在1200HV左右，Cu-N形成的氮化物硬度在433HV左右，所以选Al、Cu、Ti作为过渡层，可以保证氮化后形成的氮化层具有硬度梯度分布的特征，其中将Cu过渡层放在Al过渡层和Ti过渡层中间是因为Cu与N形成的氮化物硬度较低，可以作为高硬Ti-N氮化物层过渡到高硬Al-N氮化物层的内应力释放层，提高氮化层之间的结合强度。此外，低温等离子体渗氮过程中，不仅存在N原子与Al、Cu、Ti过渡层生成高硬氮化物的反应还存在Al、Cu、Ti过渡层三者之间相互反应生成金属间化合物的反应，从而大大提高Al-Cu-Ti氮化后各氮化物层之间、氮化层与钛合金基体的结合强度。膜层厚度与硬度可通过Al-Cu-Ti过渡层厚度、渗氮时间、渗氮温度来调控，通常Al-Cu-Ti过渡层厚度越大、渗氮时间越长、渗氮温度越高形成的高硬氮化物越多，氮化深度越大。

发明内容

本发明提供了一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法，采用本发明的方法可在钛合金表面形成硬度梯度分布、厚度可调的氮化层，可显著改善氮化层与钛合金基体的结合强度，提高氮化层的韧性、耐磨性，扩大其应用范围。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：