淺析鈦及鈦合金的表面處理技術(shù)

桂國(guó)慶 勾駿

摘 ?要：鈦及鈦合金在具體應(yīng)用過(guò)程中，基于自身性質(zhì)的原因，導(dǎo)致其無(wú)法發(fā)揮出更大的作用，而表面處理技術(shù)的發(fā)展，拓寬了鈦及鈦合金的應(yīng)用前景。本文主要分析了鈦及鈦合金的表面處理技術(shù)，以期給相關(guān)從業(yè)者提供參考。

關(guān)鍵詞：滲碳處理技術(shù);鈦合金;表面處理技術(shù)

1鈦及鈦合金的表面強(qiáng)化

鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性、生物相容性的優(yōu)勢(shì)，但存在較差的導(dǎo)熱性和耐磨性，容易在高溫條件下發(fā)生氧化，為了強(qiáng)化鈦及鈦合金的表面硬度和耐磨性，需要通過(guò)改性處理完成鈦及鈦合金的表面強(qiáng)化。

1.1滲氮

滲氮是指在一定溫度條件下，通過(guò)相關(guān)工藝將氮原子滲入工件表面，以增強(qiáng)工件性質(zhì)的化學(xué)處理工藝。通過(guò)對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行滲氮工藝，形成的氮化鈦硬化層具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，同時(shí)提高了硬度、耐磨損性和耐腐蝕性。一般情況下，滲氮工藝主要有液體滲氮、氣體滲氮、等離子滲氮等等。其中，氣體滲氮是指將鈦及鈦合金試樣置于氮?dú)庵胁⑻岣邷囟?，使其表面形成相?yīng)的硬質(zhì)相，從而實(shí)現(xiàn)鈦及鈦合金表面耐腐蝕性、耐磨性的提升。相比之下，氣體滲氮工藝更為簡(jiǎn)單可行，但同時(shí)也存在著速率低、滲層薄脆等不足。等離子體滲氮方式則是通過(guò)輝光放電實(shí)現(xiàn)滲氮的，使等離子狀態(tài)的氮離子在電場(chǎng)中獲得加速并撞擊試件，促使離子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)向熱能的轉(zhuǎn)換，提升試件表面溫度同時(shí)還引起了氮離子的濺蝕作用和擴(kuò)散作用，更好地實(shí)現(xiàn)了滲氮工藝的目的。

1.2 滲硼

滲硼工藝的應(yīng)用，能夠?qū)⑩伒谋砻嫘纬膳鸹?，一方面提高了鈦及鈦合金表面的耐磨性，另一方面還形成了具有較高硬度和導(dǎo)熱性的陶瓷材料。截止到現(xiàn)在，鈦及鈦合金的滲硼工藝已經(jīng)逐步使用了雙層輝電等離子法、熔鹽浸漬法、液相等離子滲硼法、粉末法、膏劑法、固體法等工藝。

2表面氧化處理

鈦及鈦合金的表面氧化處理工藝是指通過(guò)相應(yīng)方式，在鈦及鈦合金表面形成鈦氧化物層和氧擴(kuò)散層，鈦氧化物具有較高的硬度，鈦的表面氧化能夠提高鈦及其合金表面的固溶強(qiáng)化作用，因此，進(jìn)行鈦及其合金的表面氧化處理，能夠有效優(yōu)化其表面性能。

2.1普通等溫滲氧

普通等溫滲氧是指將鈦及鈦合金試件置于等溫條件下，通過(guò)一定時(shí)間的氧化處理，使其表面形成TiO2，從而提高表面的硬度等效果。但是，這種方式的應(yīng)用對(duì)于加熱條件較為嚴(yán)格，若是加熱溫度不足，將難以形成足夠的氧化層，無(wú)法有效提高鈦及其合金的表面硬度。若是加熱溫度過(guò)高，則可能促使鈦的氧化物變得疏松并可能發(fā)生脫落，無(wú)法達(dá)到強(qiáng)化的目的。

2.2 等離子滲氧

等離子滲氧技術(shù)是指將鈦及其合金試樣放置在雙輝等離子滲爐中，調(diào)整其內(nèi)部空氣分壓，從而展開(kāi)滲氧操作。在等離子滲氧過(guò)程中，鈦表面形成的氧化層較薄，且氧化物形式主要為低價(jià)態(tài)。離子的轟擊不僅能夠有效減少高價(jià)氧化物，同時(shí)還能夠起到加劇滲氧過(guò)程。因此，等離子滲氧技術(shù)能夠提高鈦及其合金的改性效果，促使鈦及其合金的表面硬度增加，同時(shí)提高其抗磨性質(zhì)。

2.3激光滲氧

將鈦放置在大氣條件下，通過(guò)激光掃描加熱，實(shí)現(xiàn)滲氧工藝，對(duì)激光功率進(jìn)行控制，能夠有效保證材料表面不發(fā)生融化。通過(guò)控制掃描速度，能夠有效控制滲氧過(guò)程的時(shí)間，從而促使鈦表面能夠形成三個(gè)區(qū)域，分別為氧化物膜層、氧固溶體層和熱影響區(qū)，最終提高鈦表面的耐磨性和硬度等性能。

2.4微弧氧化技術(shù)（MAO）

微弧氧化技術(shù)的原理、裝置和工藝流程和電鍍十分相似，兩者之間的主要區(qū)別在于微弧氧化技術(shù)將工作電壓引入到了高壓放電區(qū)。在電解液中通電，陽(yáng)極表面會(huì)產(chǎn)生大量的氧氣，這一過(guò)程會(huì)發(fā)生陽(yáng)極表面技術(shù)溶解現(xiàn)象，同時(shí)陽(yáng)極表面形成相應(yīng)的金屬氧化物。在陰極表面會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，同時(shí)會(huì)隨著陽(yáng)離子的數(shù)量不斷減少。微弧氧化膜具有內(nèi)層致密、外層粗糙多孔的結(jié)構(gòu)特征，有外至內(nèi)可以分為疏松層、致密層與界面層三個(gè)部分。其中，微弧氧化膜的彈性模量和硬度從外至內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，并于內(nèi)層達(dá)到最大值。除此之外，表面的耐磨性、抗腐蝕性以及硬度都獲得了極大增強(qiáng)。

2.5 氧促進(jìn)擴(kuò)散技術(shù)

氧促進(jìn)擴(kuò)散技術(shù)的擴(kuò)散主要包含兩個(gè)過(guò)程。一方面是指空氣中的熱氧化，另一方面則為真空擴(kuò)散處理。具體過(guò)程主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，將鈦及鈦合金放置空氣中進(jìn)行熱氧化，并且獲得厚度一定的的氧化膜;其次，將其放置于真空室內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行真空擴(kuò)散處理。熱氧化過(guò)程中生成的表面氧化層將會(huì)儲(chǔ)存大量的氧氣，使其具有較高的氧氣濃度梯度。在進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理時(shí)，氧化膜中較高的氧濃度梯度促使氧快速向低濃度的基體擴(kuò)散。根據(jù)相關(guān)結(jié)果分析，可以看出氧促進(jìn)擴(kuò)散技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提高鈦及其合金的抗磨損性能。

3激光表面處理

3.1激光熔覆技術(shù)

通過(guò)使用高能量激光束，能夠有效將性能和成分各不相同的熔覆材料和鈦及其合金基材表面快速熔凝，最終實(shí)現(xiàn)鈦及其合金表面性能的提升，這種方法被稱為激光熔覆技術(shù)。該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，其激光熔覆耐磨合金涂層的耐磨性一般不會(huì)受到基體的限制，因此能夠獲得較厚涂層，在鈦及其合金的表面處理技術(shù)中具有較廣泛的應(yīng)用范圍。

3.2 激光表面合金化

通過(guò)使用高能量激光束照射基體材料，能夠在其表面形成薄層，該薄層和需要添加的合金共同融合，最終形成表面熔化層，這層的液體中存在一定的表面張力，同時(shí)具有一定的擴(kuò)散作用，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)在形成符合相關(guān)要求的表面合金化層，達(dá)到表面改性的最終目的。由于外加合金元素有各種各樣的狀態(tài)，因此該技術(shù)的應(yīng)用主要包括激光氣體氮化、激光表面粉末合金化等。

3.3 激光表面重熔

在充滿惰性氣體的條件下，利用激光技術(shù)掃描鈦及鈦合金表面，使其形成一定的薄熔化層，再通過(guò)基體吸熱作用的應(yīng)用，促使熔池的金屬液快速冷卻和凝固，這種方法被稱為激光表面重熔技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)㈣T造組織細(xì)化，減少偏析，同時(shí)形成過(guò)飽和溶體，以有效提升鈦及鈦合金表面的抗氧化性能以及耐磨等性質(zhì)。

3.4脈沖激光沉積

脈沖激光沉積法是利用激光束輻照射固體基材，從而促使其表面氣化，隨后在合適的基體上凝固。當(dāng)下，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類材料的薄膜，如半導(dǎo)體、金屬材料、絕緣材料等等。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)鈦及鈦合金的表面處理，對(duì)于提高鈦及鈦合金的表面性能具有重要意義。因此，表面處理技術(shù)的應(yīng)用，極大地拓寬了鈦及鈦合金的應(yīng)用前景，同時(shí)伴隨著新型改性方法和工藝的優(yōu)化和更新，為鈦及鈦合金表面處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都有至關(guān)重要的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] ?戴景杰，谷曉妹，莊蕾.鈦及鈦合金的激光表面改性研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2010，40（11）：85-90.