钛合金表面制备高硬度膜层

钛合金具有密度小、比强度高、耐海水及海洋气氛腐蚀以及无磁性、可加工性好等特点，在许多领域得到了广泛的应用。然而钛合金存在表面硬度低、耐磨损性差的缺点，易与摩擦材料发生粘附，严重限制了其应用范围。目前，提高钛合金耐磨性的方法主要是在钛合金表面制备高硬度膜层，其中，在钛合金表面制备TiN薄膜是非常有效的办法。TiN熔点高达2955℃，TiN涂层具有高硬度及优异的耐热耐磨性能和耐腐蚀等特性，并且具有金属光泽及优良的导电性等金属特性。它既可作为一种耐磨的硬质薄膜运用于刀具切削与摩擦零部件领域，又可沉积在首饰与灯具表面作为装饰性薄膜，具有广阔的应用前景。

然而，传统的气体氮化技术，温度较高，影响基体的力学性能，同时保温时间过长，不适合工程上应用，故近年来开发出快速催渗氮化工艺、低压真空脉冲氮化工艺及激光气体氮化工艺等新技术。

快速催渗氮化工艺是在常规气体氮化过程中采用循环加热规范，加入在整个氮化过程中都起到催渗作用的催渗剂。催渗剂可活化工件表面，从而提高工件表面对氮原子的吸收能力，使氮化保温时间大大缩短。催渗剂是一种稀土催渗剂，不仅缩短氮化周期，而且能够渗入工件表面形成细小弥散的氮化物，改善氮化层组织，提高表面硬度。由于大大缩短了氮化保温时间，故起到了节省能源、减少废气排放及缩短氮化周期的作用。

脉冲氮化技术是以周期反复间歇式通/抽气方式进行氮化。当炉压处于低压时，狭缝及孔内的气氛被强行排出，充气时又强行加入新鲜气体。脉冲周期交换炉气，在工件表面的滞留气薄层迅速遭到破坏，新气氛产生新的活性原子，加快了活性原子在工件表面的碰撞，使渗入元素在工件表面的吸附速度和反应速率得到有效提高。这种技术可防止氧化、氢脆、疏松等组织缺陷，并可解决狭缝、小孔、深孔、盲孔处渗层不均匀的难题。

激光气体氮化复合技术是用激光使基体表面熔融，通过持续供应氮气，瞬间发生反应生成氮化钛薄膜。该工艺具有氮化层与基材界面成冶金结合、热影响区小、工件变形小、可以局部加热、无接触加工及制备时间短等优点。

另外，传统的液体氮化技术，由于受设备容量限制，无法对大型零件进行氮化处理，而且氮化后表面疏松，同时生产过程中所产生的废水和废气极易引起公害。微弧碳氮化技术能解决这些问题，它是借鉴电解液微弧氧化的一种新工艺。钛合金置于电解液中作为阳极，在脉冲放电情况下，在材料表面产生火花放电点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在钛合金表面原位生成碳氮化物陶瓷层。这种技术可以在常温下进行，能保持基体的原始性能；不受制品形状的限制，可实现复杂工件的内外表面处理；操作简单，处理时间短，能耗少，成本低，符合环保要求。