[摘 要]利用激光氣體氮化方法，實現了鈦合金表面氮化處理。結果表明，當功率密度大于6.5×105W.cm-2時，生成物以TiN為主。由于Al的飽和蒸氣壓和蒸發速率均高于Ti，因此，在熔池表面形成貧鋁層，促進了表面層Ti的氮化。熱力學分析表明，激光熔池內生成TiN的反應較生成AlN的反應更具有熱力學優勢。
[關鍵詞]激光氮化 航空鈦合金 氮化機理
引言
鈦及其鈦合金因其具有比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優點，自20世紀50 年代以來，在航空航天領域中得到了迅速的發展及應用，成為當代飛機和發動機的主要結構材料之一。用鈦合金取代不銹鋼，不但可以減輕飛機的重量，而且可以提高結構效率。目前，鈦及其鈦合金在飛機用材中所占比例越來越高。據報道，在不同機型中，鈦合金所占比例也不盡相同。在客機波音777中為7%， 運輸機C-17為10. 3%，戰斗機F-4為8%，F-15為25.8%，F-22為39%[1]。然而，由于鈦合金價格高，耐磨性差等原因，使其應用領域受到了限制。因此，對鈦及鈦合金表面進行適當的改性處理，提高其表面耐磨性和表面硬度，至關重要。
氮化鈦具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕等優點，將其用作保護層可大大提高表面硬度，改善耐磨性，有效延長使用壽命[2]。A.Walker[3]等研究了鈦及其合金表面激光氮化。國內外近年來采用離子束增強沉積（IED）[4，5]，等離子氮化（PN）[6]等方法在鈦合金表面形成氮化鈦薄膜。但這些方法都存在涂層厚度薄、結合度低、易于剝落等缺點。
為此，本文采用激光氣體氮化方法，對鈦合金表面進行氮化處理。該方法提高了氮化效果，簡化了工藝。本文主要研究激光功率密度對氮化的影響，并對激光氮化機理進行分析。
1.實驗材料及方法
實驗材料選用TC4合金。經打磨、清洗后吹干待用。采用500WCO2連續激光進行激光氮化。N2氣預熱到200°C。熱的氮束流和激光束同軸、同時到達樣品表面。激光掃描速度為100 mm/min，激光功率密度范圍為0.85×105 W.cm-2～8.5×105 W.cm-2。利用日本理學D/MAX-RB型X射線衍射儀進行物相分析。
2.實驗結果及討論
氮化處理后的樣品表面的XRD結果如圖1所示。由圖1可見，與原始樣品相比（圖1a），當功率密度達到3.7×105W.cm-2時表面生成了氮化鈦。隨著激光功率密度的增大，氮化現象也逐漸明顯。當功率密度大于7.8×105W.cm-2時，由圖1（c），（d）可看出，此時氮化層主要物相為TiN，及少量Ti2N。這是因為當功率密度較低時，一方面不能在鈦合金表面形成激光熔池，另外也不能使氮氣被充分激活，因而很難形成氮化。
3.氮化機理分析
經預熱處理后，氮分子吸收一部分熱能后，使得分子內能增加，再受到激光輻照時，很容易變成氮離子。另外，熱的氮束流更能促進熔池內的對流運動，使Ti充分與N原子反應，促進了氮化反應的進行。
值得一提的是，實驗中采用的Ti-6Al-4V合金，理論上，氮化物中應該有AlN生成，但實際卻沒有檢測到。其原因可歸結如下：
第一，在激光熔池表面，除了存在熔化、氮化過程外，還存在金屬元素的蒸發過程。哪種元素蒸發的快，相應地在表面這種元素與氮發生冶金反應生成的氮化物就少。在本研究過程中，激光氮化過程是在工業氮氣氛下進行的。在此條件下，表面鈦和鋁均有明顯的蒸發現象。不同溫度下，Ti和Al的飽和蒸氣壓PTi、 PAl （單位Pa）和蒸發速率vTi 、vAl（單位g.cm-2.s-1）結果如表1所示。
由表1，在液態激光熔池內，Al的飽和蒸氣壓和蒸發速率均比Ti的高很多，因此，熔池內Al的原子百分數要遠低于Ti，從而在熔池表面形成一個貧鋁層，促進了表面層內Ti的氮化過程。
另外，從熱力學角度來看，氮氣與鈦反應生成TiN的吉布斯自由能計算結果如表2所示?？梢钥闯觯琓iN和AlN的生成反應的△G都為負值，相同溫度下，TiN反應的？G比AlN的更小些。因此，生成TiN的反應更具有優勢。
4.結論
激光功率密度對氮化效果有很大影響。當功率密度大于6.5×105W.cm-2時，生成以TiN為主的氮化層。在相同的溫度下，Al的飽和蒸氣壓和蒸發速率均比Ti的高很多，在熔池表面形成一個貧鋁層促進了Ti的氮化過程。從熱力學角度分析，生成TiN的反應更具優勢。
參考文獻
[1] 彭艷萍，曾凡昌，王俊杰，等。國外航空鈦合金的發展應用及其特點分析[ J] . 材料工程， 1997， （ 10） ： 3.
[2] 汪洪海，鄭啟光，陶星之，大功率 CO2 激光原位直接反應合成TiN/Ti 復合材料的研究[J]，復合材料學報，1999，16（1）：111。
[3] A.Walker，Laser melting treatment for metal surface [J]， Surf. Eng.， 1985，1（1）：23.