[摘 要]利用激光气体氮化方法，实现了钛合金表面氮化处理。结果表明，当功率密度大于6.5×105W.cm-2时，生成物以TiN为主。由于Al的饱和蒸气压和蒸发速率均高于Ti，因此，在熔池表面形成贫铝层，促进了表面层Ti的氮化。热力学分析表明，激光熔池内生成TiN的反应较生成AlN的反应更具有热力学优势。
[关键词]激光氮化 航空钛合金 氮化机理
引言
钛及其钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点，自20世纪50 年代以来，在航空航天领域中得到了迅速的发展及应用，成为当代飞机和发动机的主要结构材料之一。用钛合金取代不锈钢，不但可以减轻飞机的重量，而且可以提高结构效率。目前，钛及其钛合金在飞机用材中所占比例越来越高。据报道，在不同机型中，钛合金所占比例也不尽相同。在客机波音777中为7%， 运输机C-17为10. 3%，战斗机F-4为8%，F-15为25.8%，F-22为39%[1]。然而，由于钛合金价格高，耐磨性差等原因，使其应用领域受到了限制。因此，对钛及钛合金表面进行适当的改性处理，提高其表面耐磨性和表面硬度，至关重要。
氮化钛具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优点，将其用作保护层可大大提高表面硬度，改善耐磨性，有效延长使用寿命[2]。A.Walker[3]等研究了钛及其合金表面激光氮化。国内外近年来采用离子束增强沉积（IED）[4，5]，等离子氮化（PN）[6]等方法在钛合金表面形成氮化钛薄膜。但这些方法都存在涂层厚度薄、结合度低、易于剥落等缺点。
为此，本文采用激光气体氮化方法，对钛合金表面进行氮化处理。该方法提高了氮化效果，简化了工艺。本文主要研究激光功率密度对氮化的影响，并对激光氮化机理进行分析。
1.实验材料及方法
实验材料选用TC4合金。经打磨、清洗后吹干待用。采用500WCO2连续激光进行激光氮化。N2气预热到200°C。热的氮束流和激光束同轴、同时到达样品表面。激光扫描速度为100 mm/min，激光功率密度范围为0.85×105 W.cm-2～8.5×105 W.cm-2。利用日本理学D/MAX-RB型X射线衍射仪进行物相分析。
2.实验结果及讨论
氮化处理后的样品表面的XRD结果如图1所示。由图1可见，与原始样品相比（图1a），当功率密度达到3.7×105W.cm-2时表面生成了氮化钛。随着激光功率密度的增大，氮化现象也逐渐明显。当功率密度大于7.8×105W.cm-2时，由图1（c），（d）可看出，此时氮化层主要物相为TiN，及少量Ti2N。这是因为当功率密度较低时，一方面不能在钛合金表面形成激光熔池，另外也不能使氮气被充分激活，因而很难形成氮化。
3.氮化机理分析
经预热处理后，氮分子吸收一部分热能后，使得分子内能增加，再受到激光辐照时，很容易变成氮离子。另外，热的氮束流更能促进熔池内的对流运动，使Ti充分与N原子反应，促进了氮化反应的进行。
值得一提的是，实验中采用的Ti-6Al-4V合金，理论上，氮化物中应该有AlN生成，但实际却没有检测到。其原因可归结如下：
第一，在激光熔池表面，除了存在熔化、氮化过程外，还存在金属元素的蒸发过程。哪种元素蒸发的快，相应地在表面这种元素与氮发生冶金反应生成的氮化物就少。在本研究过程中，激光氮化过程是在工业氮气氛下进行的。在此条件下，表面钛和铝均有明显的蒸发现象。不同温度下，Ti和Al的饱和蒸气压PTi、 PAl （单位Pa）和蒸发速率vTi 、vAl（单位g.cm-2.s-1）结果如表1所示。
由表1，在液态激光熔池内，Al的饱和蒸气压和蒸发速率均比Ti的高很多，因此，熔池内Al的原子百分数要远低于Ti，从而在熔池表面形成一个贫铝层，促进了表面层内Ti的氮化过程。
另外，从热力学角度来看，氮气与钛反应生成TiN的吉布斯自由能计算结果如表2所示。可以看出，TiN和AlN的生成反应的△G都为负值，相同温度下，TiN反应的？G比AlN的更小些。因此，生成TiN的反应更具有优势。
4.结论
激光功率密度对氮化效果有很大影响。当功率密度大于6.5×105W.cm-2时，生成以TiN为主的氮化层。在相同的温度下，Al的饱和蒸气压和蒸发速率均比Ti的高很多，在熔池表面形成一个贫铝层促进了Ti的氮化过程。从热力学角度分析，生成TiN的反应更具优势。
参考文献
[1] 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等。国外航空钛合金的发展应用及其特点分析[ J] . 材料工程， 1997， （ 10） ： 3.
[2] 汪洪海，郑启光，陶星之，大功率 CO2 激光原位直接反应合成TiN/Ti 复合材料的研究[J]，复合材料学报，1999，16（1）：111。
[3] A.Walker，Laser melting treatment for metal surface [J]， Surf. Eng.， 1985，1（1）：23.
