一种利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法与流程

本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法。

背景技术：

传统普通离子氮化炉最高使用温度仅为650℃，钛合金零件氮化后表面显微硬度如要达到hv800时，其氮化工艺温度通常在750℃以上。

现有钛合金离子氮化的零件，通常表面硬度要求在hv800以下，变形控制幅度几乎不做要求。为实现这一功能多采用活性屏技术，即制作一个多孔装状与阴极高压连接的钛合金圆筒，虽然采用该方法可在一定程度上降低变形程度，但对于一些超精变形控制的复杂结构航空航天薄壁钛合金零件，单纯依靠这种活性屏技术已经无法实现工艺变形要求。

技术实现要素：

本发明的目的是：使用传统普通离子氮化炉，利用空心阴极效应，辅助以专用工装，使钛合金薄壁回转零件离子氮化后表面硬度不小于hv800、有效硬化层深度0.05mm以上之外，氮化后变形量不超过0.020mm。

本发明的技术解决方案为：一种利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法，使用普通离子氮化炉，借助专用工装，在工装与零件外壁之间形成小于辉光层厚度2倍的狭小空间，利用空心阴极效应，通过工装与零件外壁辉光叠加来实现提高零件表面温度至工艺温度且均匀加热的功能。

所述钛合金离子氮化专用工装为筒形结构，通过不锈钢导管支撑，与阴极盘相连，并处于钛合金离子氮化专用设备有效工作区的几何中心。筒形工装、零件与离子氮化炉有效工作区“三心”重合的示意图见附图1所示。

所述钛合金薄壁零件放入钛合金离子氮化专用工装中，工装与钛合金零件的外壁距离在5～20mm之间，工装与零件同牌号。

所述钛合金零件使用同牌号材料制作的辅助支撑立柱，使零件轴心与工装轴心同轴。

所述辅助支撑立柱，为提高零件在离子氮化过程中的电流密度，立柱直径不能大于φ5mm，立柱需要均布于筒形工装底部并处于同一高度水平。

所述离子氮化炉为普通无辅助热源、不使用活性屏技术的普通离子氮化炉，需将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装底部孔上引至钛合金零件附近。

所述钛合金零件尺寸为50～100mm、有效壁厚3～7mm的回转体，钛合金零件中存在孔、槽的部分需要使用机械屏蔽的方式进行屏蔽，不允许孔、槽发生空心阴极效应。

所述钛合金零件变形超精控制，需要在离子氮化前对零件进行800～950℃高温退火处理。

所述钛合金零件变形超精控制，离子氮化工艺温度为750～900℃，氮化保温时间为4～15h。

所述钛合金零件变形超精控制，需要在离子氮化时进行阶梯升温、保温与降温，升温与降温速率为0.5～2℃/min。

所述钛合金零件变形超精控制，阶梯升温与降温温度范围分别为300～450℃、500～650℃。

本发明的技术效果是：本发明利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法，利用空心阴极效应，在工装与零件外壁之间形成小于辉光层厚度2倍的狭小空间，将工装、零件与离子氮化炉有效工作区“三心”重合，实现了对零件的均匀加热，钛合金离子氮化后表面硬度不小于hv800、有效硬化层深度0.05mm以上之外，氮化后变形量不超过0.020mm。

附图说明

图1是零件、筒形工装与离子氮化炉有效工作区“三心”重合示意图；

图2是图1a-a剖视图；

图3是非对称回转薄壁钛合金零件结构示意图；

图4是非对称回转薄壁钛合金零件俯视图；

其中，1-筒形工装下底板、2-筒形工装防护罩、3-辅助支撑销立柱、4-离子氮化炉中部控温热电偶、5-离子氮化炉有效工作区。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

本发明利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法，选取无辅助热源、不使用活性屏的普通离子氮化炉，借助专用工装，在工装与零件外壁之间形成小于辉光层厚度2倍的狭小空间，利用空心阴极效应，通过工装与零件外壁辉光叠加来实现提高零件表面温度至工艺温度且均匀加热的功能。

所述钛合金离子氮化专用工装为筒形结构，通过使用1cr18ni不锈钢导管支撑，与阴极盘相连，利用ta7材质筒形工装下底板以及ta7材质辅助支撑立柱，在离子氮化炉内构建起等电势负辉区几何空间，离子氮化工艺阶段，工装与零件同材质，可以保证工装与零件在高温下线膨胀系数相同，并处于钛合金离子氮化专用设备有效工作区的几何中心，使得筒形工装、零件与离子氮化炉有效工作区“三心”重合，如图1和图2所示。

以某规格ta7牌号钛合金薄壁零件复杂结构零件为例，如图3、图4所示，其有效壁厚仅为3mm。零件离子氮化后表面硬度不小于hv800、有效硬化层深度0.05mm以上之外，氮化后变形量不超过0.020mm。工装与零件之间的距离为15mm，可以保证工装与零件之间形成空心阴极区域，利用该狭小区域使零件与工装的辉光层重叠加热效应，大幅提升辉光重叠区内零件的温度，实现钛合金零件的离子氮化。

在筒形工装的几何空间内，带电阳离子受到等电势的影响，对筒形工装内的零件轰击均匀性大幅提升，宏观表现为零件的受热均匀性得到改善。

使用辅助支撑立柱直径为φ5mm，用于支撑零件，可以有效提高离子氮化炉内阴极盘通过辅助立柱向零件传输的电流强度，减小辉光层厚度。

将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装底部插入至钛合金零件附近，提高了零件在氮化过程中的工艺温度监控能力。筒形工装上下底面均有孔洞，便于带电粒子从工装上下两侧同时轰击零件，零件上下两个方向受热均匀。

通过使零件、筒形工装及离子氮化炉有效工作区三者几何中心重叠，大幅提升了零件在离子氮化时各个方向受到带电粒子热轰击的一致性，即受热均匀性得到有效保证。

零件氮化前进行900℃高温退火6h后，再进行高温离子氮化，提高了零件在高温下的组织热稳定性，减小因组织不稳定造成的零件尺寸变形。

零件采取阶梯方式升降温，从室温升到400℃升温速率为2℃/min，400℃到温后保温4h，然后以1℃/min升温至550℃，到温后保温2h，继续以1℃/min升温至880℃，保温6h。然后以1℃/min降温至550℃，到温后保温2h，再以1℃/min降温至400℃，到温后保温2h，停止辉光加热系统，随炉冷却降至200℃后，开炉并取出钛合金零件。钛合金导热较差，零件采取阶梯升温、保温和降温，可以有效减少大尺寸钛合金零件因内外温差所致的热应力产生宏观变形。通过上述方法的采用，该零件离子氮化后，表面硬度hv1207，硬化层深度0.09mm，最终椭圆与锥度均在0.017mm左右，在满足冶金质量要求的同时，实现了大尺寸非对称回转类钛合金零件高温离子氮化变形的超精控制。

技术特征：

技术总结
本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法,使用普通离子氮化炉，使工装与零件外壁之间距离小于2倍辉光层厚度，利用空心阴极效应提高氮化工艺温度。本发明通过筒形工装、零件与离子氮化炉有效工作区“三心”重合，工装与零件同材质，确保零件受热均匀。阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装底部孔上引至钛合金零件附近，防止工艺超温。零件氮化前850～950℃高温退火处理，以0.5～2℃/min升温与降温速率进行300～450℃、500～650℃阶梯性升温、保温与降温，到温保温时间需在2～4h。回转类薄壁钛合金零件在750～880℃氮化4～15h后，表面硬度不小于HV800、有效硬化层深度0.05mm以上，氮化后变形量不超过0.020mm。

技术研发人员：孙振淋;辛玉武;师玉英;吴彦芬;钱钰
受保护的技术使用者：中国航发哈尔滨东安发动机有限公司
技术研发日：2018.11.21
技术公布日：2019.03.26