[发明专利]一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法

说明书

本发明公开了一种航天钛合金TC4表面减磨耐磨强化层的制备方法，属于航天材料表面强化技术领域，所述方法首先对钛合金进行离子渗氮，在钛合金表面形成一层氮化物层，同时，在离子渗氮处理的基础上又进行了激光表面织构处理，在解决了钛合金不耐磨问题的同时，解决了渗氮层在摩擦过程中产生的硬质磨屑参与摩擦造成的摩擦系数高，磨粒磨损严重的问题；将离子渗氮技术和激光表面织构技术结合，应用于TC4钛合金，既解决了钛合金耐磨性差的问题，又解决了渗氮后钛合金的摩擦系数大，磨粒磨损严重的问题。所获得的具有表面减摩耐磨强化层的TC4航天钛合金用于航天器紧固件等耐磨件时具有较高的抗摩擦磨损性能和良好的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于航天材料表面强化技术领域，具体涉及一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法。

背景技术

航天事业是一个国家综合实力的重要标志，我国航天事业的发展在促进国民经济建设、国防建设和科技发展中发挥了重要的作用。在国防科工委颁布的《国防科技工业中长期科学和技术发展规划纲要》中，将“载人航天”和“探月工程”列为重大专项，继续大力推进航天事业的发展。随着航天科技的不断进步，对航天飞行器的要求也越来越高。航天飞行器在超高温、超低温、高真空、空间辐照等极端条件下工作，对材料的性能提出了巨大的挑战。

对航天材料而言，轻质高强、耐高低温是选材的重要标准，而钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀、低导磁率等优良特性而被誉为“宇宙金属”、“空间金属”，在航天装备中得到了日益广泛的应用。

紧固件(如螺栓、螺母、铆钉等)是钛合金应用于航天领域的一个重要方面。制造钛合金紧固件最常用材料是α-β型两相合金Ti-6Al-4V，其优点是密度最低，强度和疲劳性能最好，半成品成本低。但是，由于钛合金硬度较低、塑性较高、滑动摩擦系数大、导热系数小，使得钛合金螺栓的螺纹表面具有很强的粘结性，限制了其使用使能和更广泛应用。在大气环境中，钛合金的表面易于形成氧化膜，能起到避免粘着的作用，但是在航天装备服役的空间高真空环境中，氧化膜破坏后无法再生，粘着效应大大增大了钛合金的摩擦系数和磨损率。这使得钛合金螺栓在装卸过程中易与螺母发生粘连、咬死和划伤，影响螺纹精度和紧固性能。钛合金螺栓的光杆部分与连接副之间发生的磨损和划伤会产生表层微观缺陷，易于在外界应力的作用下萌生疲劳裂纹，进而引发螺杆的断裂破坏。可见，钛合金紧固件较差的摩擦学性能使其在空间环境中服役时易发生粘着磨损、划伤和微动损伤，影响了钛合金紧固件的使用性能和服役安全。

所以，采用先进的表面工程技术，结合离子渗氮技术和激光表面处理技术提升钛合金紧固件的表面性能，有效避免粘着磨损、划伤和微动磨损等形式的表面失效，并延长其使用寿命，是保障航天装备服役安全的关键技术。

离子渗氮技术可以在钛合金表面生成性能优异的TiN_x层，且具有渗氮层厚度和组织可控、工艺重复性好、渗氮温度范围宽等优点，十分适合对小体积的钛合金紧固件进行批量表面改性。但是，离子渗氮还是具有处理温度较高、时间较长，在一定程度上存在影响钛合金基体的组织结构和性能的问题。因此单独使用离子渗氮技术提高钛合金的表面耐磨性能不是很理想。

激光表面织构技术是利用激光束在材料表面快速加工出特定的规则排列的图案，从而改善材料表面状态的一种方法。激光表面织构技术是一种解决材料表面润滑性能的较为可行的方法。由于表面图案化处理得到的图案能容纳磨屑，而且有利于摩擦区域接触应力的均匀化，避免出现应力集中，因此在干摩擦的条件下也能够发挥积极的作用，改善材料表面的润滑性能。但是由于钛合金表面耐磨性比较差，表面织构在摩擦磨损中很容易被磨掉，所以单独使用激光表面织构技术改善钛合金表面的润滑性能效果也不是很理想。

因此在本发明中，选用特定的工艺参数，把两种表面强化技术有效结合起来，能够简单有效的提高TC4钛合金的减摩耐磨效果，提高航空器中钛合金TC4的应用范围及其使用寿命和可靠性。

发明内容