[发明专利]包含钛金属的工件的处理方法和物品

说明书

本发明涉及包含钛金属的工件(12)的处理方法，其中，所述工件的钛金属表面层转化为钛氮化物。所述方法包括以下步骤：a)将所述工件(12)加热至初始渗氮温度(T_n1)；和b)在热等静压(HIP)条件下，使所述工件在高压下在含氮气体(14)中经受一个或多个渗氮温度(T_n1、T_n2)预定的时间，以将所述钛金属表面层转化为由钛氮化物构成的第一层部分和在钛金属中包含氮梯度的第二层部分。所述方法还包括c)在热等静压(HIP)条件下，使所述工件(12)在高压下在所述含氮气体(14)中淬火，以强化步骤b)中形成的第一陶瓷氮化物层部分下方的钛金属。

技术领域

本发明大体上涉及包含钛金属的工件的处理方法。更具体地，本发明涉及一种下述的方法，其包括对工件的至少一部分渗氮，使得钛合金的表面层转化成钛氮化物。本发明还涉及经进行了这种方法的物品。

背景技术

钛已经越来越多地应用于各种技术领域中，例如在汽车、航空航天、采矿、医疗和其他行业中用于制造机器零件和其他部件。实际上，工业上不使用化学纯钛，而是将钛合金化以形成具有不同特性的各种合金。一些常用的钛合金的实例是所谓的商业纯(cp)钛或2级钛(有时称为非合金的)、5级钛(Ti-6Al-4V)和9级钛(Ti-3Al-2.5V)。在下面的描述中，所谓的商业纯钛金属也称为合金。

钛合金的一些特性通常在许多应用中都有利。这些特性的实例是低密度、高比强度或强度重量比、优异的耐腐蚀性和耐高温能力。低密度和高比强度例如在生产机器零件和其他部件时有助于减少能源消耗和环境影响。一些钛合金也是无毒的，其例如用于生产整形外科和牙科假体及植入物。然而，钛合金的一个技术缺点是在高负荷滑动或滚动接触中发生粘合咬死(adhesive seizure)的风险。

已经开发了几种方法来消除这种缺点。这些已知方法包括不同的PVD(物理气相沉积)涂布和等离子喷涂。

一种新出现的方法是通过钛合金渗氮来转化钛合金表面。通过这种方式，在工件的最外第一表面层部分中形成诸如δ-TiN(面心立方)和ε-Ti₂N(四方)的陶瓷钛氮化物。氮化物显著增加了表面层的硬度，从而提高了表面层的承载能力。除了在最外第一陶瓷层部分中形成氮化物之外，渗氮工艺还得到了氮扩散到陶瓷层正下方的钛合金中的第二金属层部分。通常，该第二层部分中的氮浓度在第一氮化物层部分附近最高，并且随离表面的深度增加而逐渐减小，从而在表面层中形成氮梯度。氮梯度导致第一氮化物层部分的硬度和支撑性增加。

该方法通常通过在真空炉中处理工件来进行。这些处理的主要限制是长且成本高的工艺，导致氮化物层薄且氮至本体金属(bulk metal)中的渗透浅，从而仅形成对于硬脆氮化物层的较弱支撑。

现有技术

会议论文“The HIP-Nitriding of Steels and Ti-based Alloys”(M.H.Jacobs，M.A.Ashworth和A.J.Marshall；于1996年5月20日至22日在马萨诸塞州安多弗举行的热等静压国际会议上发表)公开了一种通过同时增加陶瓷氮化物层的厚度和本体金属中的氮渗透来提高渗氮工艺的生产率的方法，该方法通过热等静压使钛部件在非常高的氮气压力下进行更短时间的渗氮而进行。

热等静压(HIP)是目前主要用于消除钛和镍基超级合金的金属铸件的内部孔隙或者将各种金属和陶瓷粉末体致密化为固体材料的工艺。HIP工艺使工件在高压安全壳中经受同时高温和等静气体压力(从而在所有方向上向材料施加压力)。通常使用诸如氩气等惰性气体来防止化学反应，并且通常通过对工件周围的气体进行泵送和电加热的组合将加压气体升高到100至200MPa之间的压力水平。当材料用HIP处理时，热和压力的同时施加通过塑性变形、蠕变和扩散结合的组合消除了内部孔隙。