一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法与流程

本发明属于激光熔覆制备，具体涉及一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法。

背景技术：

1、齿轮作为调节转速、传递转矩和角运动的重要机械零部件广泛应用在航空航天、汽车和舰船上，制造材料的不同，齿轮表现出的性能也有着较大的差异。结构轻量化一直是航空领域关注的重点问题，钛合金与钢相比比重低、耐腐蚀性能好，采用钛合金齿轮可以较大幅度减轻直升机传动系统结构质量，是制造齿轮较为合适的材料，但是钛合金材料硬度低、耐磨性差会导致钛合金齿轮在交变应力、冲击动应力以及磨损等工作环境下易发生轮齿折断、胶合以及疲劳磨损等造成齿轮失效，一般都需要对钛合金齿轮进行表面强化处理。

2、常用的齿轮强化处理有表面热处理(渗碳、渗氮、以及碳氮共渗)、喷丸强化、激光表面强化、电子束表面改性等。专利cn114231898a公开了一种高精度高耐磨钛合金齿轮成型方法，通过磁控溅射将碳基薄膜均匀沉积到抛光齿面，在钛合金齿轮表面形成具有高硬度、抗润滑、低摩擦系数、耐磨损、抗粘连、化学稳定性高的碳基薄膜改性层。专利cn113981441a公开了一种齿轮表面强化涂层的制备方法及齿轮，采用超高速激光熔覆的方法在齿轮的表面形成铁基强化涂层，极大提升了齿轮表面的强度和耐磨性。虽然齿轮改性技术在针对钛合金材料表面强化时有着自身的特点和应用前景，但这些表面处理技术同样有着各自的缺点和局限性。传统渗碳技术在钛合金齿轮表面改性处理过程中的温度较高，基体容易产生性能损伤和结构形变；渗氮技术形成的表面强化层较薄且渗氮速度较慢；碳氮共渗技术会造成组织结构缺陷，影响零件的表面性能和寿命；钛合金材料使用喷丸强化处理后一定程度上会发生晶格的畸变和组织结构的变形；激光表面强化设备成本高、工艺不够稳定和成熟；电子束强化技术设备造价高，参数控制要求精确，技术仍处于研究阶段，应用广度不够。一般表面处理方法均需要在高温下进行反应，处理后的尺寸精度难以保证。因此，根据钛合金齿轮的服役要求，需要开展钛合金齿轮高精度的成型方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法。该方法采用激光熔覆方法在钛合金齿坯上熔覆厚度可控的合金钢涂层作为熔覆层，并直接将熔覆层加工成齿面，提高了钛合金齿轮的表面硬度和耐磨性以及整体尺寸精度，有效减少摩擦磨损，进而提高钛合金齿轮的寿命，解决了齿轮在高温下进行表面强化处理造成硬度和耐磨性受限、尺寸精度难以保证的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、预加工：将钛合金粗加工成距离齿根面2mm～5mm的钛合金齿坯，然后将钛合金齿坯放入乙醇溶液中超声清洗；

4、步骤二、涂层熔覆：采用高速丝材激光熔覆设备在步骤一经超声清洗后的钛合金齿坯的表面熔覆合金钢涂层，得到带有熔覆层的钛合金齿坯；

5、步骤三、中间加工：将步骤二中得到的带有熔覆层的钛合金齿坯进行孔径、端面及外径的同步车削加工，然后依次进行滚齿加工，得到整个齿均为熔覆层的钛合金齿轮中间体；

6、步骤四、感应淬火：将步骤三中得到的钛合金齿轮中间体进行同步双频感应淬火；

7、步骤五、磨削精整：将步骤四中经同步双频感应淬火后的钛合金齿轮中间体进行磨削精整处理，得到轻质耐磨钛合金齿轮。

8、本发明先将钛合金粗加工成钛合金齿坯并经乙醇溶液超声清洗去除表面杂质等污染，然后对其表面进行激光熔覆合金钢涂层，得到带有熔覆层的钛合金齿坯，并对熔覆层进行车削及滚齿加工，直接将熔覆层加工成齿面，得到基本成型的钛合金齿轮中间体，再进行同步双频感应淬火，通过在同一感应加热器上同时输出中频和高频，并调节中频和高频的输出比例，实现对钛合金齿轮中间体中齿轮的齿顶、齿根均匀加热，加热时间短、变形量小，从而获得均衡的轮廓硬化层，再经磨削精整处理修正同步双频感应淬火引起的齿形变形，进一步提高了齿轮精度，降低其表面粗糙度。

9、上述的一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述合金钢涂层的成分为20crmnti、20cr2ni4或42crmo。42crmo属于调质钢，20crmnti和20cr2ni4属于渗碳钢，采用这三种材料成分有利于获得承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的钛齿轮，符合航空用齿轮体积小、重量轻、节省空间、可靠耐用、过载能力高的要求。

10、上述的一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述熔覆的激光功率为2kw～15kw，光斑直径为1mm～8mm，采用侧向送丝方式进料，丝材直径为0.5mm～3mm，送丝速度为20mm/s～80mm/s，扫描速度为2mm/s～50mm/s，采用氮气作为保护气，氮气流量为10l/min～80l/min。在上述送丝速度与扫描速度下进行熔覆获得的熔池过渡区较小，有利于获得超致密的组织结构，提高了熔覆层的耐磨性；同时通过控制激光功率与光斑直径，大大降低了热输入引起的工件变形，有利于提高钛合金齿轮的精度。

11、上述的一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述熔覆为单层多道次激光熔覆，且熔覆层的厚度超出钛合金齿坯全齿高的2mm～5mm。本发明采用单层多道次激光熔覆，实现对熔覆层成形形状的有效控制，通过控制熔覆层的厚度使其覆盖整个齿高，保证后续加工获得整个齿均为熔覆层的钛合金齿轮中间体，避免过大厚度熔覆层的内部缺陷过多影响钛合金齿轮的性能。

12、上述的一种轻质耐磨钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤四中所述同步双频感应淬火的加热功率为200kw～1000kw，电流频率包括中频2khz～15khz和高频100khz～400khz，加热时间为0.1s～1s，并控制同步双频感应淬火设备的线圈与挡边的距离为2mm以上，选择水溶性pag淬火剂进行淬火，且淬火的喷淋冷却时间为3s～10s。通过上述快速冷却进行淬火，将钛合金齿轮中间体中的奥氏体转变为马氏体，有利于提高钛合金齿轮的硬度。

13、本发明与现有技术相比具有以下优点：

14、1、本发明采用钛合金为原料，保证了钛合金齿轮的轻质性能，结合采用激光熔覆方法在钛合金齿坯上形成高硬度的合金钢涂层，并直接将熔覆层加工成齿面，提高了钛合金齿轮的表面硬度和耐磨性，从而获得轻质耐磨的钛合金齿轮。

15、2、本发明直接将钛合金齿坯上激光熔覆的合金钢涂层加工成齿，然后进行淬火，避免在高温下反应进行表面强化处理造成的结构形变和性能损伤，提高了钛合金齿轮的尺寸精度，有效减少摩擦磨损，进而提高钛合金齿轮的寿命，降低制备成本。

16、3、本发明采用高速丝材激光熔覆的方法制备熔覆层，熔覆速度快，且易于通过调节熔覆参数以控制熔覆层厚度，进一步提高了钛合金齿轮的尺寸精度。

17、4、本发明制备的钛合金齿轮可减重达30％以上，齿面最终硬度可达到hrc45-hrc65，精度等级达到7级以上。

18、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。