滲氮可以明顯提高材料表面的硬度以及耐磨性。通過(guò)對(duì)鈦材料表面滲氮，可以在鈦材料表面形成一系列氮化鈦化合物（如TiN、TIN₂、Ti₂N、Ti₃N、Ti₄N、Ti₃N₄、Ti₂N₅等）作為防護(hù)層，增強(qiáng)材料的表面硬度、耐磨性；另外，在滲氮過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)得到不同組分的氮化鈦薄膜滲層，使材料表面呈現(xiàn)出從亮黃色到金黃色的不同顏色，增強(qiáng)鈦材的美觀性和裝飾性。鈦表面常見(jiàn)的氮化處理方法有氣體滲氮、離子滲氮、激光氣體表面滲氮。

1.1   氣體滲氮

1.1.1   傳統(tǒng)氣體滲氮

氣體滲氮作為最傳統(tǒng)的滲氮方式具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、滲氮層均勻、氮化層質(zhì)量好以及對(duì)工件形狀無(wú)要求等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的氣體滲氮分為3個(gè)基本過(guò)程：（1）滲氮介質(zhì)分解成活性氮原子；（2）活性氮原子被基材表面吸收；（3）氮原子由表面向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。傳統(tǒng)氣體滲氮使用的滲氮介質(zhì)為無(wú)水氨氣（或者氨+氫、氨+氮）。滲氮時(shí)氨氣在加熱條件下發(fā)生以下反應(yīng)生成活性氮原子：

1.1.2   真空氣體滲氮

傳統(tǒng)氣體滲氮方法耗時(shí)較久，得到的滲層厚度較薄。這是由于氮的電負(fù)性比較大，與鈦具有非常強(qiáng)的結(jié)合力，導(dǎo)致在滲氮過(guò)程中，氮原子向鈦材基體內(nèi)擴(kuò)散較困難。趙斌等利用氨氣為滲氮介質(zhì)，對(duì)Ti47Al2Nb2Cr進(jìn)行氣體滲氮處理，滲氮時(shí)間達(dá)到了50 h，僅僅得到了厚度為4 μm的滲氮層。

近年來(lái)為解決鈦材氣體氮化耗時(shí)久，滲氮層薄的問(wèn)題，研究人員采用真空氣體滲氮方法使這一問(wèn)題得到了極大的改善。真空氣體滲氮是在真空條件下對(duì)鈦材進(jìn)行間歇式滲氮以得到滿(mǎn)足要求的滲氮層，該方法可以極大地節(jié)約滲氮時(shí)間。真空氮化實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1  真空氮化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

真空氣體滲氮的工藝過(guò)程如下：放置鈦材料（工件）—排氣—抽真空—升溫—保溫—關(guān)閉真空泵進(jìn)行滲氮—抽真空—關(guān)閉真空泵再通氣滲氮，如此反復(fù)間歇式進(jìn)行真空滲氮至規(guī)定時(shí)間。以高純氮?dú)猓ㄙ|(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%）、滲氮壓力0.015 MPa為例，說(shuō)明真空氣體滲氮過(guò)程：首先向爐內(nèi)通入氬氣進(jìn)行排氣；然后抽真空至5~10 Pa，將爐溫提升到700~1000 °C的適當(dāng)滲氮溫度，保溫時(shí)間1 h；關(guān)閉真空泵，通入壓力為0.015 MPa的高純氮?dú)鉂B氮30 min；之后抽真空30 min，再進(jìn)行通氣滲氮；如此反復(fù)間歇式進(jìn)行抽真空滲氮，直完成至整個(gè)滲氮過(guò)程。

在真空低壓下進(jìn)行滲氮，由于具有較高的氮?jiǎng)?，可以產(chǎn)生較多的活性氮原子，活性氮原子越多，滲氮就越容易進(jìn)行。研究表明，鈦材料在真空滲氮時(shí)，氮的活化能為125.06 kJ/mol，而在常規(guī)氣體滲氮時(shí)氮的擴(kuò)散活化能為189.794 kJ/mol。原子擴(kuò)散的活化能越大，則原子擴(kuò)散過(guò)程中需要跨越的能壘越大，相應(yīng)原子進(jìn)行擴(kuò)散的阻力越大，擴(kuò)散越難以進(jìn)行。對(duì)鈦材進(jìn)行真空滲氮時(shí)，氮的活化能小于常規(guī)氣體滲氮時(shí)的活化能，說(shuō)明對(duì)鈦材進(jìn)行真空滲氮時(shí)，氮原子在擴(kuò)散過(guò)程中所要跨越的能壘小于在常規(guī)氣體滲氮時(shí)所要跨越的能壘，氮原子擴(kuò)散的阻力較小，更容易進(jìn)行，故在真空低壓下對(duì)鈦材進(jìn)行滲氮可以縮短滲氮的時(shí)間，相比傳統(tǒng)的氣體滲氮技術(shù)極大地提高了滲氮效率。祝園園等通過(guò)對(duì)TA2在滲氮溫度850 °C,氮?dú)灞壤?:1的條件下，進(jìn)行真空低壓間歇滲氮6 h，得到與基體結(jié)合良好的滲氮層，滲氮層表面硬度接近HV 850，且在滲層厚度為20 μm處硬度無(wú)明顯降低。

1.2   離子滲氮

離子滲氮是在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩校藐帢O和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電效應(yīng)進(jìn)行滲氮的工藝，又稱(chēng)作輝光滲氮。離子滲氮裝置如圖2所示，對(duì)鈦材進(jìn)行離子滲氮通常將鈦材料放在陰極托盤(pán)上作為陰極，封閉真空鐘罩，由真空泵進(jìn)行抽氣，直至爐內(nèi)真空達(dá)到所需低壓條件。通過(guò)進(jìn)氣管通入滲氮介質(zhì)，通電后，在陰極與陽(yáng)極之間施加直流電壓，電壓由零逐漸增大，達(dá)到某一值后，鈦材料表面上突然出現(xiàn)輝光，此時(shí)繼續(xù)增大外加電壓，材料表面逐漸被輝光所覆蓋，直到所有陰極表面完全被輝光所覆蓋。隨著兩極間的電壓進(jìn)一步的增大，輝光亮度增加，材料溫度升高，達(dá)到滲氮所需的加熱溫度，兩電極之間介質(zhì)中的氮原子被電離，在陰陽(yáng)極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中的氮及其他正離子高速向鈦材表面進(jìn)行轟擊，鈦材表面產(chǎn)生原子濺射，材料表面得到凈化，同時(shí)在吸附和擴(kuò)散的作用下，滲氮過(guò)程得以完成。王琳等對(duì)TA7進(jìn)行離子滲氮，在滲氮溫度≥850 °C，滲氮時(shí)間16 h后得到了較好的滲層組織和滲層硬度梯度。

1—滲氮介質(zhì)氣瓶；2—介質(zhì)氣氛壓力表；3—閥門(mén)；4—干燥箱；5—流量計(jì)；6—鐘罩；7—進(jìn)水管；8—出水管；9—進(jìn)水管；10—窺視孔；11—工件；12—陽(yáng)極；13—陰極；14—熱電偶；15—XCT動(dòng)圈式儀表；16—抽氣管；17—U型真空計(jì)；18—閥門(mén)；19—閥門(mén)；20—真空規(guī)管；21—真空計(jì)；22—真空泵；23—電源

圖2  離子滲氮裝置示意圖

與傳統(tǒng)氣體滲氮相比，離子滲氮的優(yōu)點(diǎn)為：（1）可以適當(dāng)?shù)目s短滲氮周期；（2）得到的滲氮層脆性較小；（3）離子轟擊對(duì)鈦材表面具有凈化作用，可以去除材料表面的鈍化膜；（4）滲層厚度和組織可以得到控制。

1.3   激光氣體滲氮

鈦材的激光氣體滲氮是利用高密度的激光束作用于處在氮?dú)鈿夥罩械拟伈谋砻?，使鈦材相?yīng)部位發(fā)生高溫融化,高純氮?dú)馀c熔池金屬發(fā)生強(qiáng)烈的冶金化學(xué)反應(yīng)，從而獲得高硬度的氮化鈦層。激光束滲氮技術(shù)可對(duì)鈦材表面進(jìn)行局部或者整體的強(qiáng)化處理，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)滲氮部位表面硬度及耐磨性的提高,同時(shí)也可以保證產(chǎn)品的精度。鈦材經(jīng)過(guò)激光滲氮后，滲氮部位表面呈亮黃色或者金黃色，根據(jù)滲氮參數(shù)的不同，氮化層的TiN化合物組分不同，顏色存在差異。激光氣體滲氮的缺點(diǎn)是滲氮后表面粗糙度極易增大。因?yàn)榧す鈿怏w滲氮是一種強(qiáng)烈的冶金化學(xué)反應(yīng)，激光束產(chǎn)生的高溫會(huì)使?jié)B氮部位表面融化形成熔池，在高純氮?dú)鈿饬髋c熔池的相互作用下，容易改變?nèi)廴诮饘僖旱牧鲃?dòng)方向，熔池的金屬液體冷卻凝固后，在體積力、表面張力及熔融金屬自身重力作用下產(chǎn)生對(duì)流，熔池冷卻后使表面粗糙度增大。圖3為激光熔池對(duì)流示意圖，圖中熔池內(nèi)箭頭方向?yàn)槿廴诮饘倭飨蚴疽狻?/span>

圖3  激光熔池對(duì)流示意圖

由于激光氣體氮化方式可以自由地對(duì)鈦材料表面局部區(qū)域進(jìn)行氮化處理，并且能夠在基體界面形成冶金結(jié)合，具有氮化速度快的優(yōu)點(diǎn)，因而備受研究人員關(guān)注。王培等通過(guò)給TA2板材進(jìn)行激光氣體氮化，得到了約100 μm由柱狀晶及細(xì)樹(shù)枝狀晶TiN相組成的氮化層，表面氮化層與基體之間無(wú)明顯界限，呈冶金結(jié)合狀態(tài)。激光氮化方法相比較其他氮化方式而言，工藝過(guò)程較復(fù)雜，影響氮化效果的參數(shù)較多，包括激光參數(shù)（激光功率和光斑直徑的大?。怏w參數(shù)（氣體壓力）、運(yùn)動(dòng)參數(shù)（激光掃描速率和運(yùn)動(dòng)的軌跡）等。在氮化的過(guò)程中，技術(shù)人員必須綜合考慮上述因素，合理制定工藝參數(shù)，從而保證鈦材表面的激光氮化處理質(zhì)量。

 真空氣體間歇滲氮可以得到足夠厚度的氮化層，比傳統(tǒng)氣體滲氮大大節(jié)省了時(shí)間，提高了滲氮效率。激光氣體滲氮得到的滲層與基體界面形成冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)；同時(shí)具有鈦材局部氮化、氮化速度極快的優(yōu)勢(shì)，但工藝比較復(fù)雜，且滲氮過(guò)程中易導(dǎo)致表面粗糙度增大。離子滲氮速率比真空間歇滲氮、激光氣體滲氮的速率低，可以得到比較好的滲層組織，及滲層硬度梯度。

文章列舉的3種氮化方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，均為通過(guò)對(duì)鈦材的表面進(jìn)行滲氮，制備氮化鈦滲層，提高鈦材表面硬度和耐磨性、延長(zhǎng)鈦材料使用壽命，另外不同組分的氮化鈦涂層呈現(xiàn)出漂亮的亮黃色或者金黃色，增加了鈦材的美觀性和裝飾性，可以滿(mǎn)足人們對(duì)生活品的審美需求。綜合來(lái)看，鈦材表面氮化處理技術(shù)在鈦制生活品領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景，可以增強(qiáng)鈦制生活品的美觀性，和耐用持久性，更進(jìn)一步拓展鈦材的應(yīng)用領(lǐng)域。