[发明专利]一种钛合金低温表面渗氮方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的表面处理方法，尤其是一种钛合金的表面处理方法，具体地说是一种钛合金低温表面渗氮方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、抗蚀性优异等突出优点，是最有希望代替合金钢制造传动机构功能部件的轻量化材料。例如，钛合金TC21是我国自行研制的具有自主知识产权的一种α+β型钛合金，其具有高强度（ R_m≥1100MPa）、高韧性（K_IC≥70MPa                                               ）、高损伤容限（较低的疲劳裂纹扩展速率da/dN值和较高的疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th）和优异的抗疲劳性能（优于普通TC4、TA15等中等强度钛合金）等综合性能相匹配。与美国第四代战斗机F-22上大量应用Ti-6-22-22高强高损伤容限型钛合金的性能相当，是目前我国高强韧钛合金综合力学性能匹配最佳的钛合金，适用于新一代战机的中后机身、机翼、发动机附近和起落架等部位对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件。

但其缺点也比较突出：一是钛合金的摩擦学性能较差，对粘着磨损和微动磨损非常敏感；二是在还原性介质如盐酸、稀硫酸等中耐腐蚀性能较差，因而它的应用受到限制。目前，国内外对于钛合金表面耐磨、耐腐蚀性的关注度越来越高，也同时出现了不同的钛合金表面化学热处理方法来提高钛合金表面耐磨和耐腐蚀性能，其中主要是采用表面改性技术（如物理气相沉积、化学气相沉积、激光表面处理、离子渗氮、热氧化和固体扩散等），使钛及钛合金表面形成氮化物、碳化物和硼化物等硬质相，从而提高其表面硬度和耐磨性。

目前，在金属表面热处理强化技术中，表面沉积形成的强化层与基体的结合力较差；离子/等离子渗氮工艺具有局限性，难以规模化推广；激光表面处理形成合金化层，其残余拉应力较大，易形成裂纹；而表面化学热处理强化是通过固溶间隙原子或形成新的强化相，保留心部硬度不变，对表面进行强化处理，使金属表面硬度显著提高，渗层与基体冶金结合，结合性能好的一种工艺方法。

钛合金表面化学热处理方法有渗氮、渗碳、碳氮共渗等。低温渗氮与其它表面化学热处理工艺相比，主要优点在于其较低的热处理温度（500~600℃），理想温度为580℃。通常，可以在完全调质与回火的条件下对零件进行渗氮，而不会对基体的组织及主要性能造成负面影响，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、可控性强的工艺过程。低温渗氮的另一个优点在于降低了产生变形的可能性。这样，零件就可以通过机械加工得到最终的尺寸，而无须花费昂贵的精加工过程。因此，低温渗氮的实用性和有效性，一直受到国内外广泛研究。但目前低温渗氮的化学热处理方法所对应的材料大多为不锈钢、IF钢、低碳钢、中碳钢，钛合金低温表面渗氮国内外少有提及。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种钛合金的低温表面渗氮方法，它尤其适用于适合新型损伤容限型钛合金TC21低温表面渗氮。

本发明的技术方案是：

一种钛合金低温表面渗氮方法，其特征是它包括钛合金的表面处理、渗氮试剂的制备及表面化学热处理。

钛合金的表面处理包括：

1）喷砂

采用粒度为80~120目的砂粒对钛合金表面进行喷砂，控制工作气压0.3~0.7MPa，喷砂时间10~15分钟；

2）研磨

把喷砂后的钛合金置于低温超净研抛机内，采用研磨压力为0.05~0.075MPa，偏心距为60~70mm，转速为100~120rpm，粒径为20~28μm的Al₂O₃固结磨料抛光垫先进行粗研磨15~20分钟；之后采用研磨压力为0.025~0.05MPa，偏心距为60~70mm，转速为150~180rpm，粒径为10~14μm为Al₂O₃固结磨料抛光垫研磨20~30分钟完成精研磨处理；

3）抛光及清洗

把研磨后的钛合金在低温超净研抛机内，采用研磨压力为0.02~0.05MPa，偏心距为30~50mm，转速为180~200rpm，磨粒粒径为5~8μm的稀土氧化铈固结磨料抛光垫研磨时间15~20分钟抛光至表面粗糙度Ra0.01~0.07μm，然后进行表面清洗。

渗氮试剂的制备是指：