一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法与流程

本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法。

背景技术：

由于钛与氧、氮的化学亲和力非常强，钛合金氮化只能采取高温离子氮化，一方面可以有效去除零件表面氧化钝化膜，另一方面提高氮原子扩散激活能，用以摆脱其与基体钛原子的原位束缚，进而提升氮化速率。钛合金热导率较低，在加热过程中，零件内外温升不一致，导致其750℃以上高温氮化时变形严重，尤其是有效壁厚较薄且结构异常复杂的双壳层钛合金衬套，其离子氮化结束后，椭圆变形量需要控制在0.020mm以内，经相关文献与资料检索，目前现有工艺技术无法达到该项技术要求。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，能够有效保证该类结构零件在高温离子氮化后变形量不超过0.02mm。

本发明的技术解决方案为：一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，通过辅助工装阴极，辅助阴极为筒形工装，在离子氮化炉内构建起等电势局域负辉区空间，筒形工装与双壳层衬套外径距离需大于20mm以上。

借助工装采取机械屏蔽辉光的方式，将复杂结构双壳层的壳层回转槽进行机械屏蔽。

双壳层薄壁钛合金衬套与机械屏蔽工装组合后放入筒形工装内，机械屏蔽工装材质与衬套材质一致，且屏蔽工装与衬套间距不大于0.20mm，筒形工装上盖与钛合金衬套两者的间隙控制在0.20mm以内，筒形工装与机械屏蔽用工装与零件同牌号。

筒形工装、钛合金衬套与离子氮化炉有效工作区三者之间，通过1cr18ni9ti不锈钢套管实现“三心”重合，示意图见图1和图2所示。

所述钛合金衬套零件与筒形工装需为同一牌号钛合金材料。

所述钛合金离子氮化专用设备，需要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。

所述双壳层钛合金零件尺寸50～200mm，所述的零件有效壁厚2～5mm，所述双壳层的壳层间距在5～20mm。

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750～880℃，氮化保温时间为6～12h。

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0.5～4℃/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℃。

所述钛合金零件变形超精控制，使用的钛合金离子氮化专用设备具有辅助热源，且在300～400℃时启动辉光加热系统。

本发明的技术效果是：本发明薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，使用带有辅助热源的钛合金离子氮化炉，借助辅助阴极筒形工装构建等电势局域负辉区空间，采用机械屏蔽杜绝双壳层的壳层之间发生空心阴极效应，通过零件、工装与离子氮化炉内有效工作区三者几何中心重叠的方式，控制升降温、氮化前高温退火，并且筒形工装与钛合金零件同材质，通过上述手段的综合运用，实现了薄壁双壳层复杂结构钛合金衬套零件高温离子氮化变形的超精控制，变形量不超过0.020mm。

附图说明

图1为双壳层钛合金衬套、工装与有效工作区“三心”重合示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是双壳层零件主视图；

图4是双壳层零件俯视图；

图5是双壳层零件机械屏蔽主视图；

图6是机械屏蔽用上封闭环示意图；

图7是机械屏蔽用下封闭环示意图，

其中，1-离子氮化炉壳体、2-控温热电偶、3-筒形工装、4-双壳层衬套、5-零件、6-支撑柱、7-下封闭环，8-上封闭环。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

某规格薄壁双壳层钛合金轴承衬套为例，该衬套材料为ta7，轴承衬套几何尺寸，如图3和图4所示，该薄壁双壳层钛合金轴承衬套离子氮化后的椭圆要求≤0.02mm，锥度≤0.01mm。

选取带有辅助热源的钛合金离子氮化专用设备，可以提高炉内几何空间炉温均匀性，降低炉温波动，减小因炉温波动造成的零件变形程度。

通过使用1cr18ni9ti不锈钢导管支撑，与阴极盘相连，利用ta7材质筒形辅助阴极工装，在离子氮化炉内构建起等电势负辉区几何空间，大幅提升筒形工装内的零件轰击均匀性，使零件受热均匀。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，使二者几何中心始终重合。

请参阅图5，本发明使用机械屏蔽的方法，将双壳层薄壁钛合金衬套的双壳层几何空间封闭，其中，所采用的屏蔽工装为环形工装，其材质与钛合金衬套材质一致，分上下两个封闭环，分别设置在双壳层衬套上下端，且该环形工装与衬套间距不大于0.20mm，筒形工装上盖与钛合金衬套两者的间隙控制在0.20mm以内。通过这种方式，可有效杜绝回转槽内产生空心阴极效应，进而使槽底温度过高造成该部位相较于其它区域涨大严重、产生锥度超差并造成零件报废。

将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装中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、双壳层衬套、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。

双壳层衬套零件的最外径与筒形工装内壁单边间距为25mm，防止因间距过短产生空心阴极效应。

零件氮化前进行900℃高温退火6h后，大幅提高了零件在780℃离子氮化时的组织热稳定性，可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，当炉温升温到300℃时，启动辉光加热系统，400℃到温后保温4h，然后以1.5℃/min升温至550℃，到温后保温2h，继续以1℃/min升温至780℃，保温10h。然后以1℃/min降温至550℃，到温后保温2h，再以1.5℃/min降温至400℃，到温后保温2h，停止辉光加热系统，最后以2℃/min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。由于该双壳层结构钛合金衬套零件结构复杂且有效壁厚较薄，选取780℃离子氮化的工艺温度，可变相提高零件抗高温蠕变能力，减小变形。

通过上述方法的采用，该零件离子氮化后，最终椭圆不大于0.015mm，锥度不大于0.10mm，实现了薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化的超精变形控制。

技术特征：

技术总结
本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法。本发明使用带有辅助热源的钛合金离子氮化炉，借助辅助阴极筒形工装构建等电势局域负辉区空间，采用机械屏蔽杜绝双壳层的壳层之间发生空心阴极效应，通过零件、工装与离子氮化炉内有效工作区三者几何中心重叠的方式，离子氮化时采取300～450℃、500～650℃阶梯性升温、保温与降温，到温保温时间2～4h，升温与降温速率控制在0.5～4℃/min，氮化前850～950℃高温退火，升温到300～400℃启动辉光加热系统，750～880℃氮化6～20h。本发明通过上述手段的综合运用，实现了薄壁双壳层复杂结构钛合金衬套零件高温离子氮化变形的超精控制，变形量不超过0.020mm。

技术研发人员：孙振淋;钱钰;辛玉武;吴彦芬;何培刚
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：2018.12.05
技术公布日：2019.04.12