钛合金表面强韧性多层复合改性层的制备方法 技术领域 本发明钛合金表面强韧性多层复合改性层的制备方法， 属于金属材料表面改性与 强化技术领域， 特别涉及一种在钛合金基体上制备高结合强度、 强韧性 Mo/MoN 多层复合改 性层的方法。
背景技术 钛合金具有比强度高、 热稳定性好、 耐腐蚀性能优异等特点， 被应用于航空航天、 化工、 生物医学、 汽车制造、 体育用品等领域。 但钛合金的耐磨性差， 这影响了钛合金构件的 安全性和可靠性， 限制了它的应用范围。利用表面工程技术在钛合金表面形成改性层是改 善钛合金磨损性能的有效手段， 可以极大地拓展钛合金的应用范围。
我国学者发明的 “双层辉光离子渗金属技术” ( 美国专利 4520268) 及相应的设备 “双层辉光离子渗金属炉” ( 中国专利 CN 1030262A) 用于钛合金的表面改性具有独特的优 势。该技术是在真空环境中， 利用气体 ( 通常用氩气 ) 放电产生低温等离子体， 其中的正离 子轰击金属靶， 溅射出的金属元素在高温的金属基体表面沉积、 扩散， 从而形成具有连续扩 散层的表面渗镀改性层。如果同时通入反应气体 ( 如氮气、 氧气等 )， 则可实现金属靶元素 和反应气体元素在基体表面的共渗， 在基体表面形成金属化合物的渗镀层。考虑到钛合金 重要构件主要使用退火态， 所以双层辉光离子渗金属技术用于钛合金的表面改性， 既可改 善其表面性能， 同时又基本不降低材料的整体性能。
为了改善钛合金的磨损性能， 本申请的发明人曾利用双层辉光离子渗金属技术在 钛合金表面分别形成了单元渗 Mo 改性层和 Mo/N 共渗改性层 ( 该技术公开在 《摩擦学学报》 2003 年 23 卷 2 期 “Ti6Al4V 表面双层辉光离子渗 Mo 及其摩擦学性能的研究” 和 《中国有色 金属学报》 2003 年 13 卷 4 期 “利用双层辉光放电形成 Mo-N 硬质镀层的研究” 等文章中 )。 在钛合金表面进行单元渗 Mo， 是以钛合金为基体， 以 Mo 板作溅射靶， 在真空室只通入氩气 的条件下， 通过气体放电在钛合金表面形成 Mo 渗镀改性层。在钛合金表面进行 Mo/N 共渗， 是以钛合金为基体， 以 Mo 板作溅射靶， 在真空室同时通入氩气和氮气的条件下， 通过气体 放电在钛合金表面形成 MoN 渗镀改性层。
本申请的发明人对经过单元渗 Mo 和 Mo/N 共渗表面改性后钛合金的磨损性能进 行了研究， 结果表明， 经 Mo/N 共渗在钛合金表面形成的高硬度 ( 强度 )MoN 改性层， 在较低 接触载荷工况条件下对提高钛合金的耐磨性是有益的 ； 但在较高接触载荷工况条件下， 只 强调钛合金表面改性层的高强度并不可取。例如， TC4 合金经 850℃ 3 小时单元渗 Mo 后表 面硬度为 HV700， 而 Mo/N 共渗后表面硬度可达 HV1500， Mo/N 共渗改性层的硬度显著高于渗 Mo 改性层。在较低接触载荷的磨损试验中， 高强度的 Mo/N 共渗改性层表现出优于单元渗 Mo 改性层的耐磨性能 ； 在较高接触载荷的磨损试验中， 高强度的 Mo/N 共渗改性层由于韧性 不足发生开裂脱落， 而强度较低但韧性良好的单元渗 Mo 改性层则与基体结合良好。因此， 在高接触载荷的磨损条件下， 单方面追求钛合金表面改性层的高强度并不能达到满意的效 果， 还应重视改性层的韧性。 在钛合金基体表面制备强韧性良好的表面改性层， 才能更有效
地提高钛合金在高接触载荷条件下的磨损性能。 三、 发明内容
本发明钛合金表面强韧性多层复合改性层的制备方法的目的在于 ： 将 Mo/N 共渗 改性层的高强度与单元渗 Mo 改性层的高韧性结合起来， 提供一种在钛合金基体表面制备 强韧性 Mo/MoN 多层复合改性层的技术方案。
本发明钛合金表面强韧性多层复合改性层的制备方法， 其特征在于是一种在钛合 金基体表面交替循环进行单元渗 Mo 和 Mo/N 共渗制备强韧性 Mo/MoN 多层复合改性层的技 术方案， 包括下述步骤 ：
Ⅰ利用双层辉光离子渗金属技术进行表面改性， 以纯 Mo 板作溅射靶， 以钛合金工 件作基体， 将真空室抽真空至 5Pa 以上， 然后通入氩气， 在工件表面先渗镀 4 ～ 6μm 厚的 Mo 底层， 其工艺条件为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15 ～ 18cm， 气压 30 ～ 50Pa， 靶电压 950 ～ 1200V， 工件电压 450 ～ 650V， 工件温度 800-1000℃， 渗镀时间 40 ～ 60min ；
Ⅱ在真空室依然通入氩气的情况下同时通入氮气， 继续在工件表面渗镀厚度为 2 ～ 4μm 的 MoN 层， 其工艺条件为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15 ～ 18cm， 氩气与氮气的流量 比 1 ∶ 2 ～ 2 ∶ 1， 气压 30 ～ 50Pa， 靶电压 950 ～ 1200V， 工件电压 450 ～ 650V， 工件温度 800-1000℃， 渗镀时间 20 ～ 60min ； Ⅲ关闭氮气的供应， 真空室内只通入氩气， 在工件表面继续渗镀 2 ～ 4μm 厚的 Mo 层， 其工艺条件为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15 ～ 18cm， 气压 30 ～ 50Pa， 靶电压 950 ～ 1200V， 工件电压 450 ～ 650V， 工件温度 800-1000℃， 渗镀时间 20 ～ 40min ；
Ⅳ通过开启和关闭氮气的供应， 继续交替循环在工件表面渗镀 MoN 层和 Mo 层， 并 使多层复合层的最表层为 MoN 层， 渗镀 MoN 层和 Mo 层的工艺参数分别与步骤Ⅱ和步骤Ⅲ相 同， 最终在钛合金工件表面制备调制周期为 2 ～ 4μm， 总厚度为 10 ～ 50μm 的 Mo/MoN 多层 复合层 ；
Ⅴ工件随炉冷至室温， 然后将工件取出。
本发明钛合金表面强韧性多层复合改性层的制备方法， 其有益效果为 ：
(1) 在钛合金工件表面渗镀厚度约 4 ～ 6μm 的 Mo 底层， 一方面是为了增加改性层 的韧性 ； 另一方面， Mo 层的硬度介于软基体钛合金与硬质层 MoN 之间， 能够起到一定的力学 协调作用， 可以增大改性层与基体之间的结合强度。
(2) 由于改性层的制备均在较高基体温度下进行， 基体与相邻的 Mo 底层发生互扩 散， 形成的扩散层保证了二者间结合的牢固性 ； 其余相邻的 Mo 与 MoN 层间亦会发生互扩散， 使 Mo 层与 MoN 层间结合良好。这样使得改性层与基体之间以及多层复合改性层整体都有 很高的结合强度。
(3) 改性层由 Mo 层与 MoN 层交替复合而成， 综合了 Mo 层的良好韧性和 MoN 层的高 强度， 形成了强韧性 Mo/MoN 多层复合改性层 ； 此外， 改性层最表层为高强度的 MoN 层， 改性 层的总体结构设计既保证了改性层良好的耐磨性， 也保证了改性层的使用持久性。
四、 具体实施方式
下面结合实施例， 对本发明作进一步描述。实施方式 1
(1) 将钛合金 TC4 工件放入双层辉光离子渗金属炉中作为基体， 用纯 Mo 板作溅射 靶。 将真空室抽真空至 5Pa 以上， 在只通入氩气的条件下， 在工件表面先渗镀厚度约为 4μm 的 Mo 底层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 气压 40Pa ； 靶电压 1060V ； 工件电压 520V ； 工件温度 900℃ ； 渗镀时间 40min。
(2) 然后同时通入氩气和氮气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 2μm 的 MoN 层。 工艺 参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 氩气与氮气的流量比为 1 ∶ 1， 并使炉内气压为 40Pa ； 靶电压 1140V ； 工件电压 490V ； 工件温度 900℃， 渗镀时间 30min。
(3) 关闭氮气的供应， 真空室内只通入氩气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 2μm 的 Mo 层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 气压 40Pa ； 靶电压 1060V ； 工件电压 520V ； 工件温度 900℃， 渗镀时间 20min。
(4) 通过开启和关闭氮气的供应， 继续在工件表面交替循环渗镀 MoN 层和 Mo 层， 渗 镀次数分别为 3 次和 2 次， 最表层为 MoN 层。渗镀 MoN 层和 Mo 层的工艺参数分别如 (2) 和 (3) 所述。最终形成总厚度约为 18μm 的 Mo/MoN 多层复合改性层。
(5) 工件随炉冷至室温， 然后将工件取出。
实施方式 2
(1) 将钛合金 TC11 工件放入双层辉光离子渗金属炉中作为基体， 用纯 Mo 板作溅射 靶。 将真空室抽真空至 5Pa 以上， 在只通入氩气的条件下， 在工件表面先渗镀厚度约为 6μm 的 Mo 底层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15cm ； 气压 35Pa ； 靶电压 1100V ； 工件电压 510V ； 工件温度 900℃ ； 渗镀时间 50min。
(2) 然后同时通入氩气和氮气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 3μm 的 MoN 层。 工艺 参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15cm ； 氩气与氮气的流量比为 2 ∶ 1， 并使炉内气压为 35Pa ； 靶电压 1150V ； 工件电压 500V ； 工件温度 900℃ ； 渗镀时间 40min。
(3) 关闭氮气的供应， 真空室内只通入氩气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 3μm 的 Mo 层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 15cm ； 气压 35Pa ； 靶电压 1100V ； 工件电压 510V ； 工件温度 900℃ ； 渗镀时间 25min。
(4) 通过开启和关闭氮气的供应， 继续在工件表面交替循环渗镀 MoN 层和 Mo 层， 渗 镀次数分别为 3 次和 2 次， 最表层为 MoN 层。渗镀 MoN 层和 Mo 层的工艺参数分别如 (2) 和 (3) 所述。最终形成总厚度约为 27μm 的 Mo/MoN 多层复合改性层。
(5) 工件随炉冷至室温， 然后将工件取出。
实施方式 3
(1) 将纯钛 TA2 工件放入双层辉光离子渗金属炉中作为基体， 用纯 Mo 板作溅射 靶。 将真空室抽真空至 5Pa 以上， 在只通入氩气的条件下， 在工件表面先渗镀厚度约为 4μm 的 Mo 底层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 气压 40Pa ； 靶电压 1020V ； 工件电压 480V ； 工件温度 800℃ ； 渗镀时间 60min。
(2) 然后同时通入氩气和氮气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 2μm 的 MoN 层。 工艺 参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 氩气与氮气的流量比为 1 ∶ 2， 并使炉内气压为 40Pa ； 靶电压 1100V ； 工件电压 490V ； 工件温度 800℃ ； 渗镀时间 40min。
(3) 关闭氮气的供应， 真空室内只通入氩气， 在工件表面继续渗镀厚度约为 2μm的 Mo 层。工艺参数为 ： 工件与 Mo 靶之间距离 16cm ； 气压 40Pa ； 靶电压 1020V ； 工件电压 480V ； 工件温度 800℃ ； 渗镀时间 30min。
(4) 通过开启和关闭氮气的供应， 继续在工件表面交替循环渗镀 MoN 层和 Mo 层， 渗 镀次数分别为 4 次和 3 次， 最表层为 MoN 层。渗镀 MoN 层和 Mo 层的工艺参数分别如 (2) 和 (3) 所述。最终形成总厚度约为 22μm 的 Mo/MoN 多层复合改性层。
(5) 工件随炉冷至室温， 然后将工件取出。6