钛及其合金具有高的比强度、好的抗蚀能力以及生物兼容性好等优良特性,因此,被广泛地应用到航空航天、医学及能源工程等领域。例如新一代汽轮机叶片采用TC4钛合金制造而成,但是会存在硬度低、摩擦因数高和耐磨性较差等问题。为了满足实际的应用,需要对TC4钛合金进行表面改性强化处理,提高硬度及耐磨性。而传统表面强化处理方法(例如高温渗氮、离子注入技术、物理气相沉积以及化学气相沉积等)具有生产效率低下、对基材性能产生影响、改性层与基材结合不牢固以及改性层深度太浅等一系列的问题和不足,而且这些处理方法不适用于对大型异形钛合金工件的处理。因此,本文选用激光气体氮化新型工艺对TC4合金进行表面强化处理。激光气体氮化具有渗氮层与基材呈化学冶金结合、可实现局部处理和适用于对大型异形工件处理等优点。对于诸如汽轮机叶片这类大型钛合金工件的激光气体氮化而言,希望的渗氮层应该具有硬度高、耐磨性高、层深大以及表面质量好等特性。国内外学者大多对激光气体氮化的工艺优化、改性层组织性能等进行研究,理论研究较少。而该过程中激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为、激光熔池中物质的流动特征均会对氮化物的形成与分布产生影响,进而影响渗氮层的质量,但是在光纤激光作用下国内外学者对此类问题研究较少。在此背景下,本文重点从确定激光气体氮化过程激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为,明确氮作为溶质及反应介质的特性;对激光熔池中物质的流动特征进行研究;优化工艺参数,建立工艺参数、激光熔池流动特征与渗氮层性能的联系,从而为工业生产提供有效的参考依据。本文主要从以下三个方面进行研究:1、为了探究氮气进入激光熔池前,激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为,在激光扫描速度为10 mm/s、激光离焦距离5 mm、气体总流量为10L/min等实验条件下,以不同的激光功率为变量在TC4平板上进行了激光气体氮化实验,利用滤光成像法对激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为进行了拍摄,结果没有观察到氮等离子体;借助光谱仪探测方法对激光热源与气体相互作用产生的光致电离行为进行了研究,结果采集到的谱线中发现没有氮原子、氮离子的特征波长;并结合理论计算分析最终确定:利用光纤激光对TC4合金进行激光气体氮化过程,氮在进入激光熔池之前不存在光致电离行为。2、为了研究激光气体氮化过程,氮进入激光熔池后,激光熔池中物质的传输特征,借助高速摄像系统对该过程中激光熔池的表面流动行为进行研究,通过观察发现激光熔池表面物质的流动方向是从熔池中间向四周进行流动,并通过标志物计算出熔池表面的流动速度约为0.714 m/s。由于对激光气体氮化过程中熔池内部的流动情况无法进行直观的观察与测量,因此本课题利用工业显微镜对氮化后试样的横截面形貌进行了拍摄观察,以此间接地反应熔池中物质的流动行为,当激光扫描速度为10 mm/s,认为在不同激光功率密度下,激光熔池中的流动为氮化钛液相与钛金属液相的“两相流”流动模式。由于激光功率密度不同,导致液相氮化钛的表面积不同,以及固相氮化钛的约束力不同,出现了不同的“两相流”流动模式。3、为了研究激光工艺参数、激光熔池中物质的不同流动模式与渗氮层性能之间的联系,进行大量工艺实验,发现不同的工艺参数会导致激光熔池形成不同的流动模式,并对各工艺参数下渗氮层的性能进行了比较分析,发现在第一种“两相流”的流动模式下得到的性能为最优,并对最优工艺的试样进行了摩擦磨损实验,发现TC4合金激光气体氮化后摩擦系数减小,耐磨性显著提高。