本發(fā)明涉及一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，屬于金屬表面加工和改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

表面納米化技術(shù)因能顯著改善材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能而成為新型金屬材料開發(fā)與表面處理的新方向。隨著研究的不斷進(jìn)展，該技術(shù)已在鋼鐵與冶金、表面工程及航天航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。納米化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一些部件的性能改進(jìn)上，如含20％超微鈷顆粒的金屬陶瓷可用于火箭噴管；對液浮軸承處理后使其壽命和可靠性得到大幅度提高；通過晶粒細(xì)化的金屬材料，可用作吸收能量的準(zhǔn)納米金屬泡沫等。雖然納米化技術(shù)已取得很多有意義的研究成果，但是在軟質(zhì)金屬尤其是航空鈦合金方面仍存在以下問題：1)如何實(shí)現(xiàn)軟質(zhì)金屬材料表面組織的結(jié)構(gòu)與組成、形貌與尺寸的有效控制；2)如何發(fā)展較為有效并能優(yōu)化傳統(tǒng)工藝的納米化方法和前后預(yù)處理，通過優(yōu)化后的納米化制備工藝對軟質(zhì)金屬進(jìn)行表面強(qiáng)化；3)如何高效評價(jià)軟質(zhì)金屬表面納米化的組織性能、摩擦特性與應(yīng)用方面仍需進(jìn)一步深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，該法制備的鈦合金具有潤滑、耐磨、耐腐蝕和抗疲勞特性，實(shí)現(xiàn)了軟質(zhì)金屬材料表面組織的結(jié)構(gòu)與組成、形貌與尺寸的有效控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

S01，對鈦合金進(jìn)行預(yù)處理；

S02，再對鈦合金表面進(jìn)行超聲深滾納米化加工處理：將S01處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，再進(jìn)行超聲深滾納米化加工處理，在鈦合金表面制備出梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層；

S03，再對鈦合金表面進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得到鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層。

S01中預(yù)處理的方法為：將鈦合金先在真空爐中進(jìn)行真空高溫退火處理，然后用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，再用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用。S01使鈦合金的顯微組織更為細(xì)小均勻。

高溫退火的溫度為700～850℃，時(shí)間為1～4h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金。

S02中超聲深滾納米化加工處理的工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為300～600r/min，橫向進(jìn)給量為1～5mm/min，加工速度為50～100mm/min，工作靜壓力為200～600N，輸出頻率為20～25KHz，處理次數(shù)為8～12次，輸出振幅為10～30μm。

超聲深滾納米化加工處理是在超聲深滾加工裝置中完成的，超聲深滾加工裝置包括：超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床、超聲沖擊球形沖頭和潤滑冷卻系統(tǒng)。

S03是在離子氮化爐中完成，輝光離子滲氮處理的工藝參數(shù)為：氣體流量為20～100L/min，爐內(nèi)壓力為0.5～1.5KPa，陰陽極電壓為400～600V；鈦合金表面在400～450℃保溫滲氮2～4h，然后升溫至540～620℃保溫20～24h進(jìn)行持續(xù)滲氮處理，得到厚度為5.5～6.5μm鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層。

所述離子氮化爐的型號(hào)為LHJMTi125A-2。

離子氮化爐包括供氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氮化爐體、陽極輸電裝置和真空系統(tǒng)。

所述鈦合金為α+β型鈦合金。

所述α+β型鈦合金為TC4鈦合金。

所述TC4鈦合金由以下組分組成：Al 5.5～6.8wt％，V 3.5～4.5wt％，F(xiàn)e 0.1～0.3wt％，C 0.02～0.10wt％，N 0.01～0.05wt％，H 0.005～0.015wt％，O 0.1～0.2wt％，余量為Ti。

所述TC4鈦合金由以下組分組成：Al 6.0～6.4wt％，V 3.8～4.2wt％，F(xiàn)e 0.15～0.25wt％，C 0.04～0.08wt％，N 0.02～0.04wt％，H 0.008～0.012wt％，O 0.14～0.18wt％，余量為Ti。

本發(fā)明制備的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層，結(jié)構(gòu)為從外到內(nèi)依次為納米結(jié)構(gòu)TiN粗晶層、納米結(jié)構(gòu)TiN細(xì)晶層和微納米結(jié)構(gòu)TiN擴(kuò)散層，納米結(jié)構(gòu)TiN粗晶層靠近表層，因輝光離子氮化的熱輸入作用，在氮化的過程中發(fā)生了晶粒的長大，其尺寸約為50～80nm；次表層為3～20nm的納米結(jié)構(gòu)TiN細(xì)晶層，最靠近基體的部分為N原子在鈦基體中擴(kuò)散后形成的滲氮層(即微納米結(jié)構(gòu)TiN擴(kuò)散層)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明以簡單、便捷、有效的超聲深滾納米化工藝來細(xì)化和均勻化晶粒并獲得梯度納米結(jié)構(gòu)層，實(shí)現(xiàn)鈦合金表面的納米化處理，通過對表面梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得到鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)滲氮層，提高了鈦合金表面元素滲入性能和綜合力學(xué)性能，增強(qiáng)了材料表面的潤滑耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性，實(shí)現(xiàn)了軟質(zhì)金屬材料表面組織的結(jié)構(gòu)與組成、形貌與尺寸的有效控制，擴(kuò)寬鈦合金的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的TEM形貌圖；

圖2為本發(fā)明鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層截面的顯微形貌圖；

圖3為本發(fā)明鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的截面顯微硬度分布圖；

圖4為本發(fā)明干摩擦條件下鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的磨損表面形貌圖以及原始狀態(tài)的鈦合金干摩擦條件下的磨損表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1：

如圖1～圖4所示，一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

(1)將鈦合金先進(jìn)行真空高溫退火處理，高溫退火的溫度為700～705℃，時(shí)間為1h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金，然后表面用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，然后用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用；其中，鈦合金為(α+β)型TC4鈦合金，由包含以下組分和重量百分比含量組成：Al 5.5wt％，V 3.5wt％，F(xiàn)e 0.1wt％，C 0.02wt％，N 0.01wt％，H 0.005wt％，O 0.1wt％，余量為Ti。

(2)安裝超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(1)處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，然后進(jìn)行超聲深滾納米化處理，得到鈦合金表面超聲滾壓梯度納米結(jié)構(gòu)層(即梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層)；其中，超聲深滾工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，橫向進(jìn)給量為5mm/min，加工速度為50mm/min，工作靜壓力為200N，輸出頻率為20KHz，處理次數(shù)為8次，輸出振幅為10μm。

(3)開啟輝光離子氮化裝置LHJMTi125A-2型離子氮化爐，設(shè)定離子氮化工藝參數(shù)，對步驟(2)中鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得滲層厚度為5.5μm的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層；其中，離子氮化工藝參數(shù)包括：抽氣速度(即氣體流量)為20L/min，爐內(nèi)壓力為0.5KPa，陰陽極電壓為400V，步驟(2)所述的鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)層在400℃保溫滲氮2h，然后升溫至540～545℃保溫20h進(jìn)行滲氮處理。

如圖3所示，曲線自左到右為鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的表面至基體。曲線大致分成三個(gè)區(qū)，分別表示測定硬度過程的兩點(diǎn)間距為40μm、60μm、80μm；基體滾壓氮化表面的硬度均值約為785Hv，結(jié)合曲線趨勢可以看出在氮化層附近的硬度值要明顯的高于基體部分，曲線呈現(xiàn)從高遞減的趨勢，再到基體部分硬度值保持上下輕微浮動(dòng)，差值較??；TC4表面形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)氮化層硬度顯著提高。

如圖4a和4b所示，原始狀態(tài)的鈦合金TC4表面磨損嚴(yán)重，沿著滑動(dòng)方向存在大量平行的犁溝和劃痕，在劃痕的邊緣有材料的劇烈塑性變形，發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損；如圖4c和4d所示，本發(fā)明的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層表面磨損輕微，沿著滑動(dòng)方向僅存在淺顯的劃痕，表明具有優(yōu)異的耐磨性。圖4a和4b分別是原始狀態(tài)的鈦合金TC4的磨損表面宏觀形貌和微觀形貌；圖4c和4d分別是鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的磨損表面宏觀和微觀形貌。

實(shí)施例2：

如圖1～圖4所示，一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

(1)將鈦合金先進(jìn)行真空高溫退火處理，高溫退火的溫度為840～850℃，時(shí)間為4h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金，然后表面用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，然后用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用；其中，鈦合金為(α+β)型TC4鈦合金，由包含以下組分和重量百分比含量組成：Al 6.8wt％，V 4.5wt％，F(xiàn)e 0.3wt％，C 0.10wt％，N 0.05wt％，H 0.015wt％，O 0.2wt％，余量為Ti。

(2)安裝超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲深滾工藝參數(shù)，將步驟(1)處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，然后進(jìn)行超聲深滾納米化處理，得到鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)層；其中，超聲深滾工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為600r/min，橫向進(jìn)給量為1mm/min，加工速度為100mm/min，工作靜壓力為600N，輸出頻率為25KHz，處理次數(shù)為12次，輸出振幅為30μm。

(3)開啟輝光離子氮化裝置LHJMTi125A-2型離子氮化爐，設(shè)定離子氮化工藝參數(shù)，對步驟(2)中鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得滲層厚度為6.5μm的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)層；其中，離子氮化工藝參數(shù)包括：抽氣速度為100L/min，爐內(nèi)壓力為1.5KPa，陰陽極電壓為600V，步驟(2)所述的鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層在450℃保溫滲氮4h，然后升溫至610～620℃保溫24h進(jìn)行滲氮處理。

實(shí)施例3：

如圖1～圖4所示，一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

(1)將鈦合金先進(jìn)行真空高溫退火處理，高溫退火的溫度為740～750℃，時(shí)間為2h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金，然后表面用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，然后用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用；其中，鈦合金為(α+β)型TC4鈦合金，由包含以下組分和重量百分比含量組成：Al 6.0wt％，V 3.8wt％，F(xiàn)e 0.15wt％，C 0.04wt％，N 0.02wt％，H 0.008wt％，O 0.14wt％，余量為Ti。

(2)安裝超聲深滾加工裝置，設(shè)定超聲深滾工藝參數(shù)，將步驟(1)處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，然后進(jìn)行超聲深滾納米化處理，得到鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，橫向進(jìn)給量為5mm/min，加工速度為75mm/min，工作靜壓力為400N，輸出頻率為22KHz，處理次數(shù)為9次，輸出振幅為20μm。

(3)開啟離子氮化裝置LHJMTi125A-2型離子氮化爐，設(shè)定離子氮化工藝參數(shù)，對步驟(2)中鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得滲層厚度為6.0μm的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層；其中，離子氮化工藝參數(shù)包括：抽氣速度為60L/min，爐內(nèi)壓力為1.0KPa，陰陽極電壓為500V，步驟(2)所述的鈦合金表面超聲深滾納梯度米結(jié)構(gòu)金屬層在400～405℃保溫滲氮3h，然后升溫至560～570℃保溫22h進(jìn)行滲氮處理。

實(shí)施例4：

如圖1～圖4所示，一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

(1)將鈦合金先進(jìn)行真空高溫退火處理，高溫退火的溫度為800～810℃，時(shí)間為3h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金，然后表面用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，然后用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用；其中，鈦合金為(α+β)型TC4鈦合金，由包含以下組分和重量百分比含量組成：Al 6.4wt％，V 4.2wt％，F(xiàn)e0.25wt％，C 0.08wt％，N 0.04wt％，H 0.012wt％，O 0.18wt％，余量為Ti。

(2)安裝超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲深滾工藝參數(shù)，將步驟(1)處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，然后進(jìn)行超聲深滾納米化處理，得到鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為450r/min，橫向進(jìn)給量為5mm/min，加工速度為60mm/min，工作靜壓力為500N，輸出頻率為23KHz，處理次數(shù)為10次，輸出振幅為15μm。

(3)開啟輝光離子氮化裝置LHJMTi125A-2型離子氮化爐，設(shè)定離子氮化工藝參數(shù)，對步驟(2)中鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得滲層厚度為5.8μm的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)滲氮層；其中，離子氮化工藝參數(shù)包括：抽氣速度為20～30L/min，爐內(nèi)壓力為0.8KPa，陰陽極電壓為550V，步驟(2)所述的鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層在420～425℃保溫滲氮4h，然后升溫至600～605℃保溫24h進(jìn)行滲氮處理。

實(shí)施例5：

如圖1～圖4所示，一種在鈦合金表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的方法，包括以下步驟：

(1)將鈦合金先進(jìn)行真空高溫退火處理，高溫退火的溫度為820～825℃，時(shí)間為3.5h，真空爐冷至室溫后取出鈦合金，然后表面用磨床將表面磨光至平整、光潔且無劃痕，然后用石油醚和酒精對表面進(jìn)行潔凈化處理，自然干燥備用；其中，鈦合金為(α+β)型TC4鈦合金，由包含以下組分和重量百分比含量組成：Al 6.2wt％，V 4.0wt％，F(xiàn)e 0.20wt％，C 0.06wt％，N 0.03wt％，H 0.01wt％，O 0.16wt％，余量為Ti。

(2)安裝超聲深滾加工裝置，設(shè)定超聲深滾工藝參數(shù)，將步驟(1)處理后的鈦合金表面涂抹潤滑油，然后進(jìn)行超聲深滾納米化處理，得到鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層；其中，超聲深滾工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為600r/min，橫向進(jìn)給量為5mm/min，加工速度為80mm/min，工作靜壓力為400N，輸出頻率為22KHz，處理次數(shù)為8次，輸出振幅為10μm。

(3)開啟輝光離子氮化裝置LHJMTi125A-2型離子氮化爐，設(shè)定離子氮化工藝參數(shù)，對步驟(2)中鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層進(jìn)行輝光離子滲氮處理，得滲層厚度為5.5μm的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)滲氮層；其中，離子氮化工藝參數(shù)包括：抽氣速度為100L/min，爐內(nèi)壓力為1.5KPa，陰陽極電壓為600V，步驟(2)所述的鈦合金表面超聲深滾梯度納米結(jié)構(gòu)金屬層在430～435℃保溫滲氮2h，然后升溫至540～548℃保溫20h進(jìn)行滲氮處理。

對上述實(shí)施例1～5制備的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層的微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度、力學(xué)性能進(jìn)行分析與測試，結(jié)果如表1和圖1～圖4所示。

表1中試樣1～試樣5分別對應(yīng)實(shí)施例1～5制備的鈦合金表面梯度納米結(jié)構(gòu)氮化層，試樣6為原始狀態(tài)的鈦合金TC4的性能參數(shù)。

表1 TC4拉伸試樣拉伸性能表

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。