浅析钛及钛合金的表面处理技术

桂国庆 勾骏

摘  要：钛及钛合金在具体应用过程中，基于自身性质的原因，导致其无法发挥出更大的作用，而表面处理技术的发展，拓宽了钛及钛合金的应用前景。本文主要分析了钛及钛合金的表面处理技术，以期给相关从业者提供参考。

关键词：渗碳处理技术;钛合金;表面处理技术

1钛及钛合金的表面强化

钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性、生物相容性的优势，但存在较差的导热性和耐磨性，容易在高温条件下发生氧化，为了强化钛及钛合金的表面硬度和耐磨性，需要通过改性处理完成钛及钛合金的表面强化。

1.1渗氮

渗氮是指在一定温度条件下，通过相关工艺将氮原子渗入工件表面，以增强工件性质的化学处理工艺。通过对钛及钛合金进行渗氮工艺，形成的氮化钛硬化层具有稳定的化学性能，同时提高了硬度、耐磨损性和耐腐蚀性。一般情况下，渗氮工艺主要有液体渗氮、气体渗氮、等离子渗氮等等。其中，气体渗氮是指将钛及钛合金试样置于氮气中并提高温度，使其表面形成相应的硬质相，从而实现钛及钛合金表面耐腐蚀性、耐磨性的提升。相比之下，气体渗氮工艺更为简单可行，但同时也存在着速率低、渗层薄脆等不足。等离子体渗氮方式则是通过辉光放电实现渗氮的，使等离子状态的氮离子在电场中获得加速并撞击试件，促使离子动能实现向热能的转换，提升试件表面温度同时还引起了氮离子的溅蚀作用和扩散作用，更好地实现了渗氮工艺的目的。

1.2 渗硼

渗硼工艺的应用，能够将钛的表面形成硼化物，一方面提高了钛及钛合金表面的耐磨性，另一方面还形成了具有较高硬度和导热性的陶瓷材料。截止到现在，钛及钛合金的渗硼工艺已经逐步使用了双层辉电等离子法、熔盐浸渍法、液相等离子渗硼法、粉末法、膏剂法、固体法等工艺。

2表面氧化处理

钛及钛合金的表面氧化处理工艺是指通过相应方式，在钛及钛合金表面形成钛氧化物层和氧扩散层，钛氧化物具有较高的硬度，钛的表面氧化能够提高钛及其合金表面的固溶强化作用，因此，进行钛及其合金的表面氧化处理，能够有效优化其表面性能。

2.1普通等温渗氧

普通等温渗氧是指将钛及钛合金试件置于等温条件下，通过一定时间的氧化处理，使其表面形成TiO2，从而提高表面的硬度等效果。但是，这种方式的应用对于加热条件较为严格，若是加热温度不足，将难以形成足够的氧化层，无法有效提高钛及其合金的表面硬度。若是加热温度过高，则可能促使钛的氧化物变得疏松并可能发生脱落，无法达到强化的目的。

2.2 等离子渗氧

等离子渗氧技术是指将钛及其合金试样放置在双辉等离子渗炉中，调整其内部空气分压，从而展开渗氧操作。在等离子渗氧过程中，钛表面形成的氧化层较薄，且氧化物形式主要为低价态。离子的轰击不仅能够有效减少高价氧化物，同时还能够起到加剧渗氧过程。因此，等离子渗氧技术能够提高钛及其合金的改性效果，促使钛及其合金的表面硬度增加，同时提高其抗磨性质。

2.3激光渗氧

将钛放置在大气条件下，通过激光扫描加热，实现渗氧工艺，对激光功率进行控制，能够有效保证材料表面不发生融化。通过控制扫描速度，能够有效控制渗氧过程的时间，从而促使钛表面能够形成三个区域，分别为氧化物膜层、氧固溶体层和热影响区，最终提高钛表面的耐磨性和硬度等性能。

2.4微弧氧化技术（MAO）

微弧氧化技术的原理、装置和工艺流程和电镀十分相似，两者之间的主要区别在于微弧氧化技术将工作电压引入到了高压放电区。在电解液中通电，阳极表面会产生大量的氧气，这一过程会发生阳极表面技术溶解现象，同时阳极表面形成相应的金属氧化物。在阴极表面会产生大量的氢气，同时会随着阳离子的数量不断减少。微弧氧化膜具有内层致密、外层粗糙多孔的结构特征，有外至内可以分为疏松层、致密层与界面层三个部分。其中，微弧氧化膜的弹性模量和硬度从外至内会呈现逐步增加的趋势，并于内层达到最大值。除此之外，表面的耐磨性、抗腐蚀性以及硬度都获得了极大增强。

2.5 氧促进扩散技术

氧促进扩散技术的扩散主要包含两个过程。一方面是指空气中的热氧化，另一方面则为真空扩散处理。具体过程主要体现在以下几个方面。首先，将钛及钛合金放置空气中进行热氧化，并且获得厚度一定的的氧化膜;其次，将其放置于真空室内继续进行真空扩散处理。热氧化过程中生成的表面氧化层将会储存大量的氧气，使其具有较高的氧气浓度梯度。在进行真空扩散热处理时，氧化膜中较高的氧浓度梯度促使氧快速向低浓度的基体扩散。根据相关结果分析，可以看出氧促进扩散技术的应用，能够有效提高钛及其合金的抗磨损性能。

3激光表面处理

3.1激光熔覆技术

通过使用高能量激光束，能够有效将性能和成分各不相同的熔覆材料和钛及其合金基材表面快速熔凝，最终实现钛及其合金表面性能的提升，这种方法被称为激光熔覆技术。该技术在应用过程中，其激光熔覆耐磨合金涂层的耐磨性一般不会受到基体的限制，因此能够获得较厚涂层，在钛及其合金的表面处理技术中具有较广泛的应用范围。

3.2 激光表面合金化

通过使用高能量激光束照射基体材料，能够在其表面形成薄层，该薄层和需要添加的合金共同融合，最终形成表面熔化层，这层的液体中存在一定的表面张力，同时具有一定的扩散作用，能够在较短的时间内在形成符合相关要求的表面合金化层，达到表面改性的最终目的。由于外加合金元素有各种各样的状态，因此该技术的应用主要包括激光气体氮化、激光表面粉末合金化等。

3.3 激光表面重熔

在充满惰性气体的条件下，利用激光技術扫描钛及钛合金表面，使其形成一定的薄熔化层，再通过基体吸热作用的应用，促使熔池的金属液快速冷却和凝固，这种方法被称为激光表面重熔技术。该技术的应用，能够将铸造组织细化，减少偏析，同时形成过饱和溶体，以有效提升钛及钛合金表面的抗氧化性能以及耐磨等性质。

3.4脉冲激光沉积

脉冲激光沉积法是利用激光束辐照射固体基材，从而促使其表面气化，随后在合适的基体上凝固。当下，该技术被广泛应用于各类材料的薄膜，如半导体、金属材料、绝缘材料等等。

4 结束语

综上所述，通过钛及钛合金的表面处理，对于提高钛及钛合金的表面性能具有重要意义。因此，表面处理技术的应用，极大地拓宽了钛及钛合金的应用前景，同时伴随着新型改性方法和工艺的优化和更新，为钛及钛合金表面处理技术的发展和应用都有至关重要的促进作用。

参考文献

[1]  戴景杰，谷晓妹，庄蕾.钛及钛合金的激光表面改性研究现状[J].电焊机，2010，40（11）：85-90.