对有时效强化效应的Ti合金盘状类型零件的复合低温渗氮工艺的制作方法

本发明涉及的是一种Ti合金渗氮方法，具体地说是一种对TC4、TC21等有时效强化效应的Ti合金所制造的盘状类型零件的低温渗氮方法。

背景技术：

TC4和TC21等钛合金以其比强度高，耐腐蚀性能优良的特点在航空航天及海洋工程等领域有重要应用。

TC4和TC21等钛合金有时效强化的热处理强化方式。钛合金经固溶处理后，获得过饱和固溶体，在随后的低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度、硬度以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效强化。

钛合金的缺点为其固有的摩擦学性能差，此缺点限制了其应用范围。气体渗氮和离子渗氮被广泛采用来强化TC4和TC21表面，提高其抗磨损性能，有热变形小、表面渗层和基体结合好、渗层表面生成的氮钛化合物硬度高的等优点。

目前针对钛合金零件的渗氮主要集中在650℃-900℃的高温区间，而高温渗氮会导致钛合金基体内晶粒长大，降低塑性和疲劳性能。

而600℃以下低温离子渗氮的研究表明，在此温度区间N元素渗入钛合金的速率非常缓慢，材料表面性能提高十分有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低温渗氮效率高，不会导致强度和疲劳性能降低的对有时效强化效应的Ti合金盘状类型零件的复合低温渗氮工艺。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对有固溶强化效应的Ti合金零件进行固溶处理；

(2)进行冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形；

(3)在400℃—640℃下渗氮。

本发明还可以包括：

1、所述固溶处理是在720℃-850℃的温度下加热，然后水淬。

2、所述冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形的变形率在5％--60％之间。

3、渗氮优选在400℃—540℃温度下进行。

本发明提出的TC4、TC21等钛合金制造的盘状类型零件的复合低温渗氮工艺，工艺过程为固溶处理—冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形—低温渗氮。本发明的原理为利用整体冷变形在合金基体造成的内部组织缺陷加快渗氮的速度。

本发明的特点主要有两点：

第一，利用形变造成的内部组织缺陷促进TC4、TC21等钛合金低温渗氮的效率，使650℃以下低温渗氮的效果能达到高温渗氮的水平；

第二，将渗氮温度设计在TC4、TC21的时效强化温度区间内，预先对钛合金进行了固溶处理，则渗氮时基体在时效温度下，产生时效强化。

因此，复合工艺在渗氮的同时还可以增强基体，起到双重强化的作用。

与已有技术相比，本发明的技术独特性在于：在渗氮之前对零件进行固溶处理+冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形。冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形在合金基体内形成位错、空穴等内部缺陷，可加快渗氮过程中N元素在合金内的扩散速度，提高渗层生长的速率。同时，TC4、TC21等有时效效应的钛合金先经过固溶处理然后再渗氮，因为低温渗氮温度在这些合金的时效温度区间内，则在渗氮时，固溶处理后的合金内部基体产生时效效应，使基体的性能得到强化。

与现有的通用TC4、TC21渗氮工艺相比，本发明的有益效果如下：

(一)能提高合金低温渗氮的效率，大大增加了低温渗氮的效果，使其与高温渗氮的性能相当，改变了Ti合金低温渗氮时渗层生长率低，几乎无法进入工业应用的问题。

设渗氮后本发明的复合低温渗氮工艺取得的硬度增加值为ΔH2，通用渗氮工艺取得的硬度增加值为ΔH1，则ΔH2远大于ΔH1。比如TC4在变形率为30％，渗氮温度为500℃时渗氮16h，ΔH2/ΔH1可达231％。又比如在540℃/40％/16h工艺下，TC4用本发明的复合低温渗氮工艺处理得到表面硬度值HV661，与通用渗氮工艺700℃/10h得到的表面硬度HV630的值相当。

(二)在渗氮时产生时效强化，使基体的强度增加，改变了在650℃到900℃的高温区间渗氮时，高温导致基体内晶粒长大，强度和疲劳性能降低的情况。

比如在TC4合金使用通用渗氮工艺渗氮，900℃渗氮24h后，基体晶粒从3μm长大到14.1μm，强度下降13％；而使用本发明的复合低温渗氮工艺渗氮后的合金，540℃/22h工艺下渗氮后，表现出合金的时效效应，基体组织晶粒细化，基体硬度比渗氮前增加了HV100，可见复合低温渗氮后基体性能得到了改善，与高温渗氮后合金基体性能的变化趋势相反。

附图说明

图1为实施例3复合低温渗氮工艺后零件的表面XRD分析图谱。

图2a-图2b为实施例3复合低温渗氮工艺后零件渗层中Al元素EDS线扫描图谱。

图3为实施例3复合低温渗氮工艺后零件的表面硬度。

图4a-图4c为实施例1复合低温渗氮工艺后零件的基体组织金相，其中：图4a为0％变形率；图4b为10％变形率；图4c为30％变形率。

图5为实施例3复合低温渗氮工艺后零件的磨损实验磨损率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于这些实施例，在未脱离本发明宗旨的前提下，所作的任何改进均落在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种对TC4、TC21等有时效强化效应的合金所制造的盘状类型零件在400℃-650℃之间进行渗氮的方法。其特征在于零件经过如下工艺：固溶处理—冷墩、冷摆碾或齿轮冷轧制成形—低温渗氮。

所述的对TC4零件形变复合低温渗氮工艺，包括以下步骤：

(1)零件用TC4合金制造；

(2)固溶处理：零件毛坯在820℃的温度下加热然后水淬；

(3)冷墩成形：变形率为20％—40％；

(4)渗氮：进行离子渗氮，渗氮温度400℃，渗氮时间7h。

实施例2：

(1)零件用TC4合金制造；

(2)固溶处理：零件毛坯在820℃的温度下加热然后水淬；

(3)冷墩成形：变形率为20％—40％；

(4)渗氮：进行离子渗氮，渗氮温度500℃，渗氮时间16h。

实施例3：

(1)零件用TC4合金制造；

(2)固溶处理：零件毛坯在820℃的温度下加热然后水淬；

(3)冷墩成形：变形率为20％—40％；

(4)渗氮：进行离子渗氮，渗氮温度540℃，渗氮时间16h。

上述各实施例中，必要时变形后进行切削加工至满足产品工艺要求的尺寸。