[发明专利]一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法

说明书

本发明公开了一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，根据齿轮结构形式，设计渗碳‑激光冲击强化的加工路径，满足不同位置加工的需求；其具体步骤为：步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理；步骤2：对经步骤1渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理；步骤3：对经步骤2淬火和回火处理后的齿轮进行激光冲击强化处理，根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％。本发明综合利用渗碳和激光冲击强化的技术优势，有效提升航空发动机传动齿轮的表面硬度、残余压应力，从而提高抗磨损、抗疲劳性能，满足工业应用的要求。

技术领域

本发明属于表面强化处理技术领域，涉及一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，具体为采用渗碳和激光冲击强化复合工艺，目的是为了提高齿轮的抗磨损和抗疲劳性能。

背景技术

齿轮是航空发动机关键传动部件，特别是在涡轴发动机中，是实现扭矩、转矩传递的核心部件。在服役过程中，齿轮啮合面经常受到强烈的相互摩擦，以及承受拉-压交变应力、剪切应力、剧烈冲击动应力等复杂应力状态的作用，接触疲劳和磨损问题突出，导致我国航空装备传动齿轮部件面临寿命短、可靠性差、早期故障多等问题，在一定程度上制约了我国航空技术的发展。

当前，我国航空用传动齿轮在制造过程中普遍采用渗碳/氮工艺的方法来改变材料表层成分，实现微观组织改变和硬度提升，提高齿轮齿面抗磨损/疲劳性能。但在发动机齿轮实际服役或在研过程中发现，渗碳/氮处理后的齿轮齿面在一定程度上解决了疲劳/磨损问题，但仍难以满足现役以及下一代航空发动机传动齿轮重载、长寿命使用的要求。因此，需要寻求一种新的工艺方法，在不改变齿轮材料和基体性能的基础上，进一步提升渗碳齿轮表面抗疲劳/磨损性能，实现发动机齿轮长寿命、高可靠性的使用要求，为航空装备安全运行、部队作战力生成提供有力支撑。

发明内容

本发明根据航空发动机齿轮结构特征和现有渗碳工艺难以满足使用要求的问题，提供了一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，该方法在渗碳层上加激光冲击强化，进一步提升耐磨性能，同时引入的残余压应力，在提高齿轮齿面抗磨损性能基础上进一步提升其抗疲劳性能。发明的应用，可提高现役及下一代航空发动机齿轮在复杂服役环境下的可靠性和使用寿命，具有重要的军事价值和显著的经济效益。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，根据齿轮结构形式，设计渗碳-激光冲击强化的加工路径，满足不同位置加工的需求；其具体步骤为：

步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理；

步骤2：对经步骤1渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理；

步骤3：对经步骤2淬火和回火处理后的齿轮进行激光冲击强化处理，根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％。

本发明进一步的改进在于，步骤1中，渗碳温度为915～935℃，保温120～180分钟，渗碳碳势为0.8％～1.0％。

本发明进一步的改进在于，步骤2中，在850℃下进行淬火工艺，然后以-85～-65℃下冷却120～180分钟，最后以140～160℃下回火。

本发明进一步的改进在于，渗碳热处理后的材料保证磁粉探伤和超声波探伤合格。

本发明进一步的改进在于，激光冲击强化的参数中，激光选择YD60-M165，激光能量为高斯分布，脉宽为20ns，激光波长为1064nm；激光功率密度能够使得材料表面发生动态塑性变形，选择50％的搭接率，约束层为纯水，保护吸收层为齿轮表面贴敷的黑胶带。