【摘 要】
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钛及其合金具有非常优异的性能,强度高,耐蚀性好,生物相容性好,这些特性使其在航空航天和生物医疗等领域得到广泛应用。但是钛合金的硬度低,耐磨性能较差,极大限制了钛合金在耐磨环境中的应用。氮化钛作为钛合金的重要强化相,具有高硬度和优异的耐磨性,在钛合金表面制备氮化钛,可以提高钛合金的耐磨性能。激光气体氮化是当前改善钛合金材料摩擦性能差的最有前途的表面改性技术之一。飞秒激光高重复频率下基于热累计效应的重
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钛及其合金具有非常优异的性能,强度高,耐蚀性好,生物相容性好,这些特性使其在航空航天和生物医疗等领域得到广泛应用。但是钛合金的硬度低,耐磨性能较差,极大限制了钛合金在耐磨环境中的应用。氮化钛作为钛合金的重要强化相,具有高硬度和优异的耐磨性,在钛合金表面制备氮化钛,可以提高钛合金的耐磨性能。激光气体氮化是当前改善钛合金材料摩擦性能差的最有前途的表面改性技术之一。飞秒激光高重复频率下基于热累计效应的重熔原理已被初步应用于抛光工艺中。基于飞秒高重频的优势,以及传统连续激光氮化和纳秒激光氮化中存在热变形和裂纹问题,为了获得表面粗糙度良好且无裂纹的氮化层,本文尝试性应用飞秒激光在氮气环境中对钛合金进行氮化处理,重点分析了能量密度对氮化层层深,物相组织,Ti N枝晶微观组织及摩擦性能的影响。研究结果表明:(1)飞秒激光氮化钛合金技术具有较严格的加工窗口:扫描速度区间为60~100mm/s,能量密度为0.14~0.58J/cm~2时,在该加工窗口内,可制备表面相对质量较好且氮含量充足的氮化层。(2)能量密度的改变可实现氮化层表面粗糙度,表面硬度,氮化层物相比例及冷却速率的有效调控,具体影响如下:能量密度从0.14J/cm~2增加到0.58J/cm~2时,表面粗糙度Sa从0.59μm增加到3.25μm,表面硬度从414HV增加到1389HV。Ti N衍射峰呈增强趋势,生成Ti N的体积分数增大,表明氮化层表面氮含量逐渐增加,近表层氮元素原子百分比从18.68%增加到33.82%。(3)能量密度可以实现对裂纹等缺陷的有效控制,在扫描速度80mm/s下,能量密度范围0.35~0.48J/cm~2时,可获得表面粗糙度Sa值在0.85μm左右,氮化层深度53~112μm,表面硬度范围880~1247HV的无裂纹且表面质量良好的氮化层。(4)飞秒激光表面氮化可有效提高钛合金摩擦磨损性能:能量密度为0.58J/cm~2,扫描速度80mm/s时,氮化层的平均摩擦系数为原样的72.5%,耐磨性能提高89.6%。原样的磨损表面显示了严重的磨料磨损和塑性变形;氩气环境中重熔样的磨损性能较原样略有提升,以磨料磨损为主,证明激光重熔对钛合金耐磨性能的改善有所帮助。(5)能量密度的调控可有效控制氮化层的硬度和厚度,从而对摩擦性能实现有效调控:能量密度为0.14J/cm~2时,氮化层的平均摩擦系数为原样的96.1%,但耐磨性能较原样下降;能量密度0.35J/cm~2时,氮化层的平均摩擦系数为原样的90.2%,耐磨性能提高34.9%;能量密度0.58J/cm~2时,氮化层的平均摩擦系数为原样的72.5%,耐磨性能提高89.6%。在扫描速度80mm/s,能量密度0.35J/cm~2时获得硬度为880HV和厚度53μm无裂纹的氮化层,相对原样,其磨损量提高34.9%。
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