[发明专利]提高零件表面形变强化层热稳定性的复合表层改性方法

说明书

本发明属于属于表面改性技术领域，涉及一种提高零件表面形变强化层热稳定性的复合表层改性方法，所述复合表层改性方法包含以下步骤：首先在机械加工的基础上，完成零件的表面强化；强化后，利用表面光整的方法对强化表面进行前处理；光整后，对强化部位进行离子氮化或氮离子注渗。在表面形变强化的基础上，采用离子注渗或离子渗的方法引入一层高渗入原子密度层。在一定温度(低于回火或退火温度)，渗入原子将占据晶体点阵间隙(如四面体、八面体间隙等)，对滑移、攀移等微观形变产生钉扎作用，从而提高形变强化层的热稳定性，使得强化层组织更不容易在温度和外载作用下产生松弛问题。

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，涉及一种提高零件表面形变强化层热稳定性的复合表层改性方法，用于提高航空钛合金和齿轮钢零件表面形变强化层热稳定性。

背景技术

当前，以喷丸、激光冲击强化和冷挤压强化为代表的表面强化技术是航空发动机和燃气轮机转子部件采用的主要表面改性方法。其目的是通过表面形变强化，在构件表层引入残余压应力场和梯度形变组织强化作用，抵抗外加载荷，提高疲劳性能。然而，航机和燃机的转子部件在中高温和外载作用下服役，在热力耦合作用下，形变强化层存在松弛演化的情况，可能导致构件变形和疲劳强化效果削弱。

在相关文献方面，文献主要分为2类。

第一类研究表面强化热稳定性表征，但不涉及采用工艺方法提高热稳定性。文献“TC6钛合金激光喷丸纳米组织特性及热稳定性研究”((英文)王学德,李应红,李启鹏等，南京航空航天大学学报,2012.)认为TC6激光喷丸纳米组织和显微硬度在623K温度下具有较好的热稳定性，从而突破了美国规范AMS2546中关于钛合金只能在589K温度下应用的限制。文献“激光喷丸A356铝合金的热稳定性实验研究”(谢小江,周建忠,陈寒松等激光技术,2014.)对激光冲击强化后的A356铝合金开展了220℃退火研究，认为激光冲击强化提高了合金的热稳定性，经过退火后强化层发生一定松弛。文献“激光喷丸A356铝合金的热稳定性实验研究”(柳文波,张弛,杨志刚等.金属学报,2013.)研究了在550℃不同时效时间处理后表面纳米化组织的变化。文献“Al-Zn-Mg合金的表面纳米晶化及其热稳定性研究”(胡兰青,马晋芳,许并社.材料热处理学报,2007)研究了Al-Zn-Mg合金纳米化经过250℃热时效后，产生纳米级析出相，显示出较好的热稳定性。此类文章较多。

第二类研究了表面强化和渗层工艺复合，但主要目的是提高耐磨性或疲劳性能，也不涉及提高热稳定性的工艺。这一类里，分两种工艺组合。第一种是渗层后采用形变强化。文献“渗碳与喷丸复合处理对18Cr2Ni4WA钢表面完整性及疲劳性能的影响”(常晓东,刘道新,崔腾飞.机械科学与技术,2013.)采用渗层后喷丸的复合方法，以提高18Cr2Ni4W齿轮钢的疲劳性能。文献“等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能”(刘道新,陈华,何家文.材料热处理学报,2013)、“离子渗ZrN与喷丸复合对TC4合金疲劳行为的影响”(刘道新,汤金钢,张晓化等.稀有金属材料与工程,2018)与之类似，渗氮(或ZrN)后，利用喷丸的压应力协调作用，提高齿轮钢或钛合金的耐磨性能。这类渗层后进行表面形变强化的工艺文献较多。另一种是形变强化后进行渗层处理。文献“热锻模表面喷丸及多元氮碳共渗复合强化工艺”(余盈燕,周杰,李梦瑶等.金属热处理,2014.)采用喷丸后进行碳氮共渗，喷丸加多元氮碳共渗复合强化处理得到的渗氮白亮层的平均厚度比只经多元氮碳共渗的增加了一倍，渗层深度增加2倍，显著提高了齿轮的耐磨性。与之类似的文献如“强力喷丸对4Cr5MoSiVl钢离子渗氮的影响”(汪新衡,李淑英,匡建新.材料热处理技术,2010)、“ST12钢高能喷丸后表面等离子渗钛”(王虎,詹肇麟,吴云霞等.材料热处理学报,2015)等。上述两种工艺路线均未涉及提高表面强化热稳定性的原理、工艺方法。