表面硬度

物体表面抵抗变形或损伤的能力

表面硬度是指物体表面抵抗变形或损伤的能力。金属钛和钛合金，由于其高强度低密度和优良的抗化学腐蚀性能，在很多领域得到广泛应用。但由于其表面耐磨性差，使其应用范围受到极大限制。进行钛和钛合金的表面改性，提高其表面耐磨性和表面硬度，是相当重要的。由于氮化物是一种具有高硬度、耐磨损的难熔金属化合物，且具有良好的稳定性，因此将其用做钛和钛合金的保护层能大大提高其表面硬度，有效延长使用寿命。

介绍

金属钛和钛合金，由于其高强度低密度和优良的抗化学腐蚀性能，在很多领域得到广泛应用。但由于其表面耐磨性差，使其应用范围受到极大限制。进行钛和钛合金的表面改性，提高其表面耐磨性和表面硬度，是相当重要的。由于氮化物是一种具有高硬度、耐磨损的难熔金属化合物，且具有良好的稳定性，因此将其用做钛和钛合金的保护层能大大提高其表面硬度，有效延长使用寿命。除此而外，由于氮化钛还具有良好的化学稳定性、独特的颜色等特点，使其在半导体的扩散阻挡层、装饰行业等均有广泛的应用。激光气体氮化是在氮气的环境中，通过激光辐照熔化钛合金表面，在熔化层中生成TiN硬质相，使钛合金表面硬度提高，从而改善其耐磨损性能。研究发现，激光气体氮化参量对熔化层中生成的TiN 数量和TiN 层的厚度有影响，而TiN 的数量和TiN 层的厚度将影响氮化后钛合金的表面硬度。此外，激光器输出的光束功率密度均匀性不同，会导致激光作用区域内材料处理程度不一致。

影响

激光气体氮化参量的影响

激光气体氮化实际上是利用高能激光束在高纯氮气中对钛及钛合金进行表面熔化。氮气在高能激光束辐照作用下与熔池中高温钛及钛合金金属液发生强烈的化学、冶金交互作用，从而显著改变熔池中金属液的化学成分和组成，最终快速凝固后获得以硬质氮化钛(TiN) 为增强相的氮化层。在不同的激光氮化参量作用下，TA2 钛合金表面生成的TiN 数量会随之变化。

提高激光功率，TA2 钛合金表面氮化区域内生成的TiN 枝晶数量增多，TiN 层量和分布等特点是钛合金表面硬度提高的主要原因。TiN 数量越多、TiN 层越厚、TiN 分布越均匀，钛合金表面硬度就越高。提高激光功率、降低激光扫描的速度，增大氮气的流量，使更多的氮溶入到熔池中。熔池冷却后，钛合金表面氮化区内生成的TiN 枝晶增多，TiN 层增厚，TiN 分布更均匀，因而TA2 钛合金表面硬度提高。

激光光束分布的影响

带式积分镜是在球面或非球面反射式聚焦镜的回转面且相互垂直的方向上采用多个带形反射斜面来代替传统曲面，这样就使得光束聚焦后为一定尺寸的矩形焦斑，光斑内激光光强均匀分布，这个矩形焦斑一个边的长度是由反射式斜面的长度来决定，另一个长度则由离焦量来确定。本研究采用的带式积分镜将光束变换为1mm×7mm的矩形焦斑。

在离焦量为70mm 时，采用高斯形式分布激光束氮化处理后的氮化区域宽度也仅有3mm。采用矩形形式分布光束处理的氮化区域在离焦量为零的情况下宽度能够达到7mm。显然采用矩形光束时TA2钛合金表面激光氮化区域宽度是原始形式光束处理的氮化区域宽度的2 倍多。可见在选用相同的激光气体氮化参量的情况下，采用带式积分镜可有效提高钛合金表面的氮化处理效率。

在钛合金表面激光氮化处理时对激光光束功率密度分布的均匀性有较高的要求，光束分布越均匀，在材料表面生成的TiN 的分布均匀性就越高。TA2 合金基体的表面硬度约为200HV0.2。激光气体氮化是利用TiN 具有较高硬度的特点(TiN 的硬度值可以达到2000HV0.2)，这种坚硬的物质分布到相对较软的钛基体材料中，从而使得钛合金表面硬度得到提高。因此如果钛合金表面的TiN 层越厚、TiN 数量越多、分布越均匀将使得钛合金表面平均硬度越高。

其中采用原始高斯形式分布的聚焦光束处理的TA2 钛合金氮化区域表面硬度达到800HV0.2 以上的区域只占整个氮化区域的35%，其表面硬度的分布形式呈高斯状，平均表面硬度值为718HV0.2。而采用带式积分镜得到矩形光束分布处理后的TA2 钛合金，在整个氮化区内表面硬度分布较均匀，其变化较均匀平缓。材料表面硬度达到800HV0.2 以上的区域可达到整个氮化区域的82%。

氮化处理区域的平均表面硬度为934 HV0.2，是高斯形式光束处理结果的1.3 倍。可见经带式积分镜光束整形后，矩形形式分布光束功率密度分布较均匀，TA2 钛合金表面生成的TiN 分布的均匀性得到有效提高，激光氮化效果显著。

总结

(1) 激光氮化使TA2 钛合金表面硬度提高。激光氮化后钛合金表层生成TiN，是钛合金表面硬度提高的主要原因。

(2) 提高激光功率、增大氮气流量、降低扫描速度，TA2 钛合金表层熔化区内生成的TiN 数量增多、TiN 层厚度增大、TiN 分布更均匀，TA2 钛合金表面硬度就越高。

(3) 采用带式积分镜进行光束变换后，激光束分布的均匀性得到显著提高。钛合金平均表面硬度是高斯形式分布光束处理的1.3 倍，可以将激光氮化处理效率提高2 倍以上。

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