一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法与流程

本发明涉及一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，属于金属表面加工和改性技术领域。

背景技术：

表面纳米化技术因能显著改善材料的显微结构和性能而成为新型金属材料开发与表面处理的新方向。随着研究的不断进展，该技术已在钢铁与冶金、表面工程及航天航空等领域得到广泛应用。纳米化技术在航空航天领域中的应用主要体现在一些部件的性能改进上，如含20％超微钴颗粒的金属陶瓷可用于火箭喷管；对液浮轴承处理后使其寿命和可靠性得到大幅度提高；通过晶粒细化的金属材料，可用作吸收能量的准纳米金属泡沫等。虽然纳米化技术已取得很多有意义的研究成果，但是在软质金属尤其是航空钛合金方面仍存在以下问题：1)如何实现软质金属材料表面组织的结构与组成、形貌与尺寸的有效控制；2)如何发展较为有效并能优化传统工艺的纳米化方法和前后预处理，通过优化后的纳米化制备工艺对软质金属进行表面强化；3)如何高效评价软质金属表面纳米化的组织性能、摩擦特性与应用方面仍需进一步深入研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，该法制备的钛合金具有润滑、耐磨、耐腐蚀和抗疲劳特性，实现了软质金属材料表面组织的结构与组成、形貌与尺寸的有效控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

S01，对钛合金进行预处理；

S02，再对钛合金表面进行超声深滚纳米化加工处理：将S01处理后的钛合金表面涂抹润滑油，再进行超声深滚纳米化加工处理，在钛合金表面制备出梯度纳米结构金属层；

S03，再对钛合金表面进行辉光离子渗氮处理，得到钛合金表面梯度纳米结构氮化层。

S01中预处理的方法为：将钛合金先在真空炉中进行真空高温退火处理，然后用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，再用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用。S01使钛合金的显微组织更为细小均匀。

高温退火的温度为700～850℃，时间为1～4h，真空炉冷至室温后取出钛合金。

S02中超声深滚纳米化加工处理的工艺参数为：主轴转速为300～600r/min，横向进给量为1～5mm/min，加工速度为50～100mm/min，工作静压力为200～600N，输出频率为20～25KHz，处理次数为8～12次，输出振幅为10～30μm。

超声深滚纳米化加工处理是在超声深滚加工装置中完成的，超声深滚加工装置包括：超声波发生器、超声振动系统、机床、超声冲击球形冲头和润滑冷却系统。

S03是在离子氮化炉中完成，辉光离子渗氮处理的工艺参数为：气体流量为20～100L/min，炉内压力为0.5～1.5KPa，阴阳极电压为400～600V；钛合金表面在400～450℃保温渗氮2～4h，然后升温至540～620℃保温20～24h进行持续渗氮处理，得到厚度为5.5～6.5μm钛合金表面梯度纳米结构氮化层。

所述离子氮化炉的型号为LHJMTi125A-2。

离子氮化炉包括供气系统、温控系统、氮化炉体、阳极输电装置和真空系统。

所述钛合金为α+β型钛合金。

所述α+β型钛合金为TC4钛合金。

所述TC4钛合金由以下组分组成：Al 5.5～6.8wt％，V 3.5～4.5wt％，Fe 0.1～0.3wt％，C 0.02～0.10wt％，N 0.01～0.05wt％，H 0.005～0.015wt％，O 0.1～0.2wt％，余量为Ti。

所述TC4钛合金由以下组分组成：Al 6.0～6.4wt％，V 3.8～4.2wt％，Fe 0.15～0.25wt％，C 0.04～0.08wt％，N 0.02～0.04wt％，H 0.008～0.012wt％，O 0.14～0.18wt％，余量为Ti。

本发明制备的钛合金表面梯度纳米结构氮化层，结构为从外到内依次为纳米结构TiN粗晶层、纳米结构TiN细晶层和微纳米结构TiN扩散层，纳米结构TiN粗晶层靠近表层，因辉光离子氮化的热输入作用，在氮化的过程中发生了晶粒的长大，其尺寸约为50～80nm；次表层为3～20nm的纳米结构TiN细晶层，最靠近基体的部分为N原子在钛基体中扩散后形成的渗氮层(即微纳米结构TiN扩散层)。

本发明具有如下优点：本发明以简单、便捷、有效的超声深滚纳米化工艺来细化和均匀化晶粒并获得梯度纳米结构层，实现钛合金表面的纳米化处理，通过对表面梯度纳米结构金属层进行辉光离子渗氮处理，得到钛合金表面超声深滚梯度纳米结构渗氮层，提高了钛合金表面元素渗入性能和综合力学性能，增强了材料表面的润滑耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性，实现了软质金属材料表面组织的结构与组成、形貌与尺寸的有效控制，扩宽钛合金的应用范围。

附图说明

图1为本发明钛合金表面梯度纳米结构氮化层的TEM形貌图；

图2为本发明钛合金表面梯度纳米结构氮化层截面的显微形貌图；

图3为本发明钛合金表面梯度纳米结构氮化层的截面显微硬度分布图；

图4为本发明干摩擦条件下钛合金表面梯度纳米结构氮化层的磨损表面形貌图以及原始状态的钛合金干摩擦条件下的磨损表面形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

如图1～图4所示，一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

(1)将钛合金先进行真空高温退火处理，高温退火的温度为700～705℃，时间为1h，真空炉冷至室温后取出钛合金，然后表面用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，然后用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用；其中，钛合金为(α+β)型TC4钛合金，由包含以下组分和重量百分比含量组成：Al 5.5wt％，V 3.5wt％，Fe 0.1wt％，C 0.02wt％，N 0.01wt％，H 0.005wt％，O 0.1wt％，余量为Ti。

(2)安装超声滚压加工装置，设定超声滚压工艺参数，将步骤(1)处理后的钛合金表面涂抹润滑油，然后进行超声深滚纳米化处理，得到钛合金表面超声滚压梯度纳米结构层(即梯度纳米结构金属层)；其中，超声深滚工艺参数包括：主轴转速为300r/min，横向进给量为5mm/min，加工速度为50mm/min，工作静压力为200N，输出频率为20KHz，处理次数为8次，输出振幅为10μm。

(3)开启辉光离子氮化装置LHJMTi125A-2型离子氮化炉，设定离子氮化工艺参数，对步骤(2)中钛合金表面超声深滚梯度纳米结构层进行辉光离子渗氮处理，得渗层厚度为5.5μm的钛合金表面梯度纳米结构氮化层；其中，离子氮化工艺参数包括：抽气速度(即气体流量)为20L/min，炉内压力为0.5KPa，阴阳极电压为400V，步骤(2)所述的钛合金表面超声深滚梯度纳米结构层在400℃保温渗氮2h，然后升温至540～545℃保温20h进行渗氮处理。

如图3所示，曲线自左到右为钛合金表面梯度纳米结构氮化层的表面至基体。曲线大致分成三个区，分别表示测定硬度过程的两点间距为40μm、60μm、80μm；基体滚压氮化表面的硬度均值约为785Hv，结合曲线趋势可以看出在氮化层附近的硬度值要明显的高于基体部分，曲线呈现从高递减的趋势，再到基体部分硬度值保持上下轻微浮动，差值较小；TC4表面形成微纳复合结构氮化层硬度显著提高。

如图4a和4b所示，原始状态的钛合金TC4表面磨损严重，沿着滑动方向存在大量平行的犁沟和划痕，在划痕的边缘有材料的剧烈塑性变形，发生了严重的磨粒磨损；如图4c和4d所示，本发明的钛合金表面梯度纳米结构氮化层表面磨损轻微，沿着滑动方向仅存在浅显的划痕，表明具有优异的耐磨性。图4a和4b分别是原始状态的钛合金TC4的磨损表面宏观形貌和微观形貌；图4c和4d分别是钛合金表面梯度纳米结构氮化层的磨损表面宏观和微观形貌。

实施例2：

如图1～图4所示，一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

(1)将钛合金先进行真空高温退火处理，高温退火的温度为840～850℃，时间为4h，真空炉冷至室温后取出钛合金，然后表面用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，然后用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用；其中，钛合金为(α+β)型TC4钛合金，由包含以下组分和重量百分比含量组成：Al 6.8wt％，V 4.5wt％，Fe 0.3wt％，C 0.10wt％，N 0.05wt％，H 0.015wt％，O 0.2wt％，余量为Ti。

(2)安装超声滚压加工装置，设定超声深滚工艺参数，将步骤(1)处理后的钛合金表面涂抹润滑油，然后进行超声深滚纳米化处理，得到钛合金表面超声深滚梯度纳米结构层；其中，超声深滚工艺参数包括：主轴转速为600r/min，横向进给量为1mm/min，加工速度为100mm/min，工作静压力为600N，输出频率为25KHz，处理次数为12次，输出振幅为30μm。

(3)开启辉光离子氮化装置LHJMTi125A-2型离子氮化炉，设定离子氮化工艺参数，对步骤(2)中钛合金表面超声深滚梯度纳米结构层进行辉光离子渗氮处理，得渗层厚度为6.5μm的钛合金表面梯度纳米结构层；其中，离子氮化工艺参数包括：抽气速度为100L/min，炉内压力为1.5KPa，阴阳极电压为600V，步骤(2)所述的钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层在450℃保温渗氮4h，然后升温至610～620℃保温24h进行渗氮处理。

实施例3：

如图1～图4所示，一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

(1)将钛合金先进行真空高温退火处理，高温退火的温度为740～750℃，时间为2h，真空炉冷至室温后取出钛合金，然后表面用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，然后用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用；其中，钛合金为(α+β)型TC4钛合金，由包含以下组分和重量百分比含量组成：Al 6.0wt％，V 3.8wt％，Fe 0.15wt％，C 0.04wt％，N 0.02wt％，H 0.008wt％，O 0.14wt％，余量为Ti。

(2)安装超声深滚加工装置，设定超声深滚工艺参数，将步骤(1)处理后的钛合金表面涂抹润滑油，然后进行超声深滚纳米化处理，得到钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层；其中，超声滚压工艺参数包括：主轴转速为400r/min，横向进给量为5mm/min，加工速度为75mm/min，工作静压力为400N，输出频率为22KHz，处理次数为9次，输出振幅为20μm。

(3)开启离子氮化装置LHJMTi125A-2型离子氮化炉，设定离子氮化工艺参数，对步骤(2)中钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层进行辉光离子渗氮处理，得渗层厚度为6.0μm的钛合金表面梯度纳米结构氮化层；其中，离子氮化工艺参数包括：抽气速度为60L/min，炉内压力为1.0KPa，阴阳极电压为500V，步骤(2)所述的钛合金表面超声深滚纳梯度米结构金属层在400～405℃保温渗氮3h，然后升温至560～570℃保温22h进行渗氮处理。

实施例4：

如图1～图4所示，一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

(1)将钛合金先进行真空高温退火处理，高温退火的温度为800～810℃，时间为3h，真空炉冷至室温后取出钛合金，然后表面用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，然后用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用；其中，钛合金为(α+β)型TC4钛合金，由包含以下组分和重量百分比含量组成：Al 6.4wt％，V 4.2wt％，Fe0.25wt％，C 0.08wt％，N 0.04wt％，H 0.012wt％，O 0.18wt％，余量为Ti。

(2)安装超声滚压加工装置，设定超声深滚工艺参数，将步骤(1)处理后的钛合金表面涂抹润滑油，然后进行超声深滚纳米化处理，得到钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层；其中，超声滚压工艺参数包括：主轴转速为450r/min，横向进给量为5mm/min，加工速度为60mm/min，工作静压力为500N，输出频率为23KHz，处理次数为10次，输出振幅为15μm。

(3)开启辉光离子氮化装置LHJMTi125A-2型离子氮化炉，设定离子氮化工艺参数，对步骤(2)中钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层进行辉光离子渗氮处理，得渗层厚度为5.8μm的钛合金表面梯度纳米结构渗氮层；其中，离子氮化工艺参数包括：抽气速度为20～30L/min，炉内压力为0.8KPa，阴阳极电压为550V，步骤(2)所述的钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层在420～425℃保温渗氮4h，然后升温至600～605℃保温24h进行渗氮处理。

实施例5：

如图1～图4所示，一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法，包括以下步骤：

(1)将钛合金先进行真空高温退火处理，高温退火的温度为820～825℃，时间为3.5h，真空炉冷至室温后取出钛合金，然后表面用磨床将表面磨光至平整、光洁且无划痕，然后用石油醚和酒精对表面进行洁净化处理，自然干燥备用；其中，钛合金为(α+β)型TC4钛合金，由包含以下组分和重量百分比含量组成：Al 6.2wt％，V 4.0wt％，Fe 0.20wt％，C 0.06wt％，N 0.03wt％，H 0.01wt％，O 0.16wt％，余量为Ti。

(2)安装超声深滚加工装置，设定超声深滚工艺参数，将步骤(1)处理后的钛合金表面涂抹润滑油，然后进行超声深滚纳米化处理，得到钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层；其中，超声深滚工艺参数包括：主轴转速为600r/min，横向进给量为5mm/min，加工速度为80mm/min，工作静压力为400N，输出频率为22KHz，处理次数为8次，输出振幅为10μm。

(3)开启辉光离子氮化装置LHJMTi125A-2型离子氮化炉，设定离子氮化工艺参数，对步骤(2)中钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层进行辉光离子渗氮处理，得渗层厚度为5.5μm的钛合金表面梯度纳米结构渗氮层；其中，离子氮化工艺参数包括：抽气速度为100L/min，炉内压力为1.5KPa，阴阳极电压为600V，步骤(2)所述的钛合金表面超声深滚梯度纳米结构金属层在430～435℃保温渗氮2h，然后升温至540～548℃保温20h进行渗氮处理。

对上述实施例1～5制备的钛合金表面梯度纳米结构氮化层的微观结构、显微硬度、力学性能进行分析与测试，结果如表1和图1～图4所示。

表1中试样1～试样5分别对应实施例1～5制备的钛合金表面梯度纳米结构氮化层，试样6为原始状态的钛合金TC4的性能参数。

表1 TC4拉伸试样拉伸性能表

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。