一种钛合金轴类件及其制备方法和应用与流程

本发明涉及航空零部件技术领域，特别涉及一种钛合金轴类件及其制备方法和应用。

背景技术：

钛合金具有比强度高和耐蚀性好等优势，被航空高端装备广泛应用，但耐磨性差、抗咬合性低、抗气氛腐蚀寿命不足等问题，导致其在很多关键部件上使用寿命极低。如海洋气氛环境服役的飞机减速板运动筒连接用钛合金轴类件，因该轴与轴套之间没有润滑介质，滑动摩擦过程中金属间的黏着磨损造成了该轴的失效，再加上海洋气氛环境的腐蚀作用，导致了该轴使用寿命极低，大大增加了飞行成本。

为提高钛合金耐磨和在海洋气氛环境中耐蚀性能，现有技术通过电镀铬工艺或氧煤油超音速火焰喷涂工艺在钛合金表面沉积涂层，但是电镀铬过程中需要进行氢化，氢在钛合金中聚合，会造成应力集中，使得钛合金内部存在细小裂纹，在外界载荷作用下出现脆化或开裂；而传统的氧煤油超音速火焰喷涂工艺因在喷涂前对基材进行喷砂处理不能避免界面夹杂物，较高的制备温度使界面生成氧化层，严重影响了涂层与基体的结合性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种钛合金轴类件及其制备方法和应用。本发明提供的钛合金轴类件消除了氢脆隐患，具有低应力，涂层与钛合金基体的结合强度高，且硬度高，具有优异的耐磨和耐蚀性，使用寿命长。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种钛合金轴类件，包括钛合金基体，所述钛合金基体包括顺次连接的螺纹部1、定位部2、配合转动部3和管嘴部5，还包括：

沉积在所述配合转动部3表面的空气超音速涂层；

和沉积在所述空气超音速涂层表面的磁控溅射硬质涂层；

所述空气超音速涂层的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni，所述磁控溅射硬质涂层的化学组成为crn或craln。

优选地，所述空气超音速涂层的厚度为80～400μm，所述磁控溅射硬质涂层的厚度为5～10μm。

优选地，所述空气超音速涂层的显微硬度＞1100hv0.2，所述磁控溅射硬质涂层的显微硬度＞1800hv0.05。

优选地，所述配合转动部3的外径、空气超音速涂层的厚度和磁控溅射硬质涂层的厚度之和为30～50mm。

本发明提供了以上方案所述钛合金轴类件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在所述钛合金基体的配合转动部表面空气超音速喷涂合金粉末，形成空气超音速涂层；所述合金粉末的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni；

(2)将所述空气超音速涂层打磨至表面粗糙度ra＜0.8μm，然后在打磨后的空气超音速涂层表面依次进行等离子体辉光刻蚀和磁控溅射，得到所述钛合金轴类件；所述磁控溅射的靶材为铬靶或铬铝靶，溅射气体为氮气。

优选地，所述合金粉末的粒度为5～50μm。

优选地，所述空气超音速喷涂法的条件包括：以氮气为送粉载气，所述氮气的压力为0.0015～0.0018mpa；空气的压力为40～45mpa；以丙烷为主燃料气，所述丙烷的压力为0.8～0.9mpa；以氢气为次燃料气，所述氢气的压力为0.1～0.15mpa；

所述空气超音速喷涂过程中，所述钛合金基体的温度不超过120℃。

优选地，所述等离子体辉光刻蚀的条件包括：真空度为2×10^-3pa；气体源为氩气，所述气体源的流量为180～200sccm；离子源功率为1.2～1.5kw；刻蚀时间为30～45min。

优选地，所述磁控溅射的条件包括：真空度为2×10^-3pa；溅射气体的流量为100～150sccm；溅射功率为5～8kw；基体偏压为80～150v；溅射时间为4h。

本发明提供了以上方案所述钛合金轴类件或以上方案所述制备方法制备的钛合金轴类件在飞机减速板运动筒中的应用，应用时，所述钛合金轴类件通过配合转动部与飞机减速板的运动筒接套管连接。

本发明提供了一种钛合金轴类件，包括钛合金基体，所述钛合金基体包括顺次连接的螺纹部1、定位部2、配合转动部3和管嘴部5；还包括沉积在所述配合转动部表面的空气超音速涂层；和沉积在所述空气超音速涂层表面的磁控溅射硬质涂层；所述空气超音速涂层的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni，所述磁控溅射硬质涂层的化学组成为crn或craln。本发明在钛合金基体的配合转动部表面依次沉积空气超音速涂层和磁控溅射硬质涂层，与电镀铬涂层相比，无氢化过程，消除了氢脆隐患，使钛合金轴类件具有低应力，延长使用寿命；其中空气超音速涂层作为粘结层，具有涂层孔隙率低、耐磨损及耐蚀性好的特性且与钛合金基体结合强度高，磁控溅射涂层结合强度高，微观组织致密，硬度高，且耐蚀性能优异，作为空气超音速喷涂层的表面覆盖层，不但可以封堵空气超音速喷涂层表面的孔隙，而且可以进一步提高钛合金表面耐磨和耐蚀性能。因此，本发明提供的钛合金轴类件具有低应力，涂层与钛合金基体的结合强度高，且硬度高，具有优异的耐磨和耐蚀性，使用寿命长，能够有效应用在海洋气氛环境服役的飞机减速板运动筒上。

实施例结果表明，本发明提供的钛合金轴类件涂层表面硬度＞1800hv0.05，涂层应力＜0.8gpa，涂层与基体的结合强度＞76mpa，在100n载荷条件下经2h摩擦磨损后，涂层损失质量仅为0.0126～0.0132g，经240h中性盐雾腐蚀试验涂层未出现腐蚀点。

本发明提供了所述钛合金轴类件的制备方法，本发明提供的制备方法过程简单、易于操作，生产效率高，成品率高。

附图说明

图1为本发明钛合金轴类件的结构示意图；

图2为实施例1中钛合金轴类件的实物图；

图1和图2中，1表示螺纹部，2表示定位部，3表示配合转动部，4表示配合转动部表面的涂层，5表示管嘴部。

具体实施方式

本发明提供了一种钛合金轴类件，包括钛合金基体，所述钛合金基体包括顺次连接的螺纹部1、定位部2、配合转动部3和管嘴部5，还包括：

沉积在所述配合转动部3表面的空气超音速涂层；

和沉积在所述空气超音速涂层表面的磁控溅射硬质涂层；

所述空气超音速涂层的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni，所述磁控溅射硬质涂层的化学组成为crn或craln。

本发明提供的钛合金轴类件包括钛合金基体，所述钛合金基体包括顺次连接的螺纹部1、定位部2、配合转动部3和管嘴部5。本发明对所述钛合金基体的化学组成没有特别的要求，本领域技术人员熟知的钛合金均可，具体地如tc2、tc4、tc11。在本发明中，所述钛合金轴类件结构如图1所示，图1中1表示螺纹部，2表示定位部，3表示配合转动部，4表示配合转动部表面的涂层，5表示管嘴部；其中螺纹部、定位部、配合转动部和管嘴部构成钛合金轴类件基体。

本发明提供的钛合金轴类件包括沉积在所述配合转动部3表面的空气超音速涂层；所述空气超音速涂层的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni。在本发明中，所述空气超音速涂层的厚度优选为80～400μm，更优选为100～350μm；所述空气超音速涂层的显微硬度优选＞1100hv0.2。在本发明中，所述空气超音速涂层作为粘结层，具有涂层孔隙率低、耐磨损及耐蚀性好的特性，且与钛合金基体的结合强度高。

本发明提供的钛合金轴类件包括沉积在所述空气超音速涂层表面的磁控溅射硬质涂层；所述磁控溅射硬质涂层的化学组成为crn或craln。在本发明中，所述磁控溅射硬质涂层的厚度优选为5～10μm，更优选为6～8μm；所述磁控溅射硬质涂层的显微硬度优选＞1800hv0.05。在本发明中，所述磁控溅射涂层结合强度高，微观组织致密，硬度高，且耐蚀性能优异，作为空气超音速喷涂层的表面覆盖层，不但可以封堵空气超音速喷涂层表面的孔隙(空气超音速喷涂层虽然孔隙率低，但仍会存在小于1％的孔隙)，而且可以进一步提高钛合金表面耐磨和耐蚀性能；空气超音速涂层和磁控溅射硬质涂层复配，与电镀铬涂层相比，无氢化过程，消除了氢脆隐患，使钛合金轴类件具有低应力，延长使用寿命。

在本发明中，所述配合转动部3的外径、空气超音速涂层的厚度和磁控溅射硬质涂层的厚度之和优选为30～50mm，更优选为40mm。本发明对所述钛合金轴类件其余部位(螺纹部、定位部和管嘴部)的具体尺寸没有特别的要求，为本领域技术人员熟知的飞机减速板作动筒连接用钛合金轴类件基体尺寸即可；在本发明实施例中，所述钛合金基体的总长优选为153～420mm。

本发明提供的钛合金轴类件具有低应力，涂层与钛合金基体的结合强度高，且硬度高，具有优异的耐磨和耐蚀性，使用寿命长。

本发明提供了以上方案所述钛合金轴类件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在所述钛合金基体的配合转动部表面空气超音速喷涂合金粉末，形成空气超音速涂层；所述合金粉末的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni；

(2)将所述空气超音速涂层打磨至表面粗糙度ra＜0.8μm，然后在打磨后的空气超音速涂层表面依次进行等离子体辉光刻蚀和磁控溅射，得到所述钛合金轴类件；所述磁控溅射的靶材为铬靶或铬铝靶，溅射气体为氮气。

本发明采用空气超音速喷涂法在所述钛合金基体的配合转动部表面喷涂合金粉末，形成空气超音速涂层；所述合金粉末的化学组成为wc-10co-4cr、wc-12co、wc-17co或wc-20cr3c2-7.5ni。在本发明中，所述合金粉末的粒度优选为5～50μm，更优选为10～35μm；本发明对所述合金粉末的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知来源的相应合金粉末即可。在本发明中，所述空气超音速喷涂法的工艺参数优选包括：以氮气为送粉载气，所述氮气的压力为0.0015～0.0018mpa，更优选为0.0016～0.0017mpa；空气的压力优选为40～45mpa，更优选为42～43mpa；以丙烷为主燃料气，所述丙烷的压力优选为0.8～0.9mpa，更优选为0.85mpa；以氢气为次燃料气，所述氢气的压力优选为0.1～0.15mpa，更优选为0.12～0.13mpa；所述空气超音速喷涂过程中，所述钛合金基体的温度优选不超过120℃，更优选为60～120℃。

在所述空气超音速喷涂所述合金粉末前，本发明优选先采用空气超音速喷枪在钛合金基体表面喷扫，以去除表面氧化层和污染物，该过程中只通入上述空气、丙烷和氢气，不通入合金粉末；所述喷扫的次数优选为两次。本发明对所述空气超音速喷涂法的具体实施方式没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可，喷涂过程中可通过旋转转台保证喷涂涂层的均匀性。在本发明中，所述空气超音速喷涂制备温度低、喷涂焰流速度更高，与基体结合时的能量高，获得的涂层孔隙率低、耐磨损及耐腐蚀，与基体的结合强度更好，此外，空气超音速喷涂生产效率高，不需要预先喷砂处理，可以大大降低加工成本。

形成空气超音速涂层后，本发明将所述空气超音速涂层打磨至表面粗糙度ra＜0.8μm，然后在打磨后的空气超音速涂层表面依次进行等离子体辉光刻蚀和磁控溅射，得到所述钛合金轴类件。本发明优选采用磨削的方式对所述空气超音速涂层进行打磨，所述磨削优选为：采用金刚石或立方氮化硼砂轮对所述空气超音速涂层进行磨削精加工，直到涂层表面无裂纹、无肉眼可见的孔隙，且磨削后涂层表面粗糙度ra＜0.8μm。

所述打磨后，本发明还优选将打磨后的空气超音速涂层依次进行超声波清洗和干燥。在本发明中，所述超声波清洗的清洗剂优选为丙酮；所述超声波清洗的超声功率优选为1kw，时间优选为12～15min；通过所述超声波清洗除去打磨时残留在涂层表面的切削液和油污；所述干燥的温度优选为100℃，时间优选为10min。

在本发明中，所述等离子体辉光刻蚀的条件优选包括：真空度优选为2×10^-3pa；气体源优选为氩气，所述气体源的流量优选为180～200sccm，更优选为190sccm；离子源功率优选为1.2～1.5kw，更优选为1.3～1.4kw；刻蚀时间优选为30～45min，更优选为35～40min。本发明通过所述等离子体辉光刻蚀主要是去除空气超音速涂层表面的污染物和氧化层，活化样件表面，便于溅射离子的沉积。

在本发明中，所述磁控溅射的靶材为铬靶或铬铝靶，溅射气体为氮气；所述磁控溅射的条件优选包括：真空度优选为2×10^-3pa；溅射气体的流量优选为100～150sccm，更优选为120～130sccm；溅射功率优选为5～8kw，更优选为6～7kw；基体偏压优选为80～150v，更优选为100～120v；溅射时间优选为4h。

在本发明的实施例中，所述等离子体辉光刻蚀和磁控溅射均在磁控溅射设备中进行，具体操作优选为：将所述打磨空气超音速涂层后的钛合金轴类件固定在磁控溅射设备转架上，然后抽真空至真空度达到2×10^-3pa，开启离子源对所述钛合金轴类件进行等离子体辉光刻蚀；刻蚀完成后，通入溅射气体，开启靶材，进行磁控溅射。本发明对所述磁控溅射设备没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的磁控溅射设备即可。

本发明提供的制备方法过程简单、易于操作，生产效率高，成品率高。

本发明所述钛合金轴类件在涂层磨损后可以进行再制造；所述再制造的方法优选为：采用机械研磨或水射流的方法去除配合转动部表面的空气超音速涂层和磁控溅射硬质涂层(去除时会去除掉一部分配合转动部基体)，重新采用上述方案所述方法进行空气超音速涂层和磁控溅射硬质涂层制备(再次制备的空气超音速涂层厚度会有所增加，用来填补去除的基体部分)。本发明通过所述再制造，可以延长零件的使用寿命。

本发明提供了以上方案所述钛合金轴类件或以上方案所述制备方法制备的钛合金轴类件在飞机减速板运动筒中的应用，应用时，所述钛合金轴类件通过配合转动部与飞机减速板的运动筒接套管连接，具体的连接方式为钛合金轴类件的螺纹部固定在减速板运动筒上，定位部与减速板运动筒定位连接，配合转动部与运动筒接管套配合转动，此外管嘴部与飞机液压导管相连接，构成液压油路。飞机减速板在海洋气氛环境中服役，钛合金轴类件的配合转动部与运动筒接管套配合转动时，存在往复磨损，并接触腐蚀环境，本发明提供的钛合金轴类件具有低应力，涂层与钛合金基体的结合强度高，且硬度高，具有优异的耐磨和耐蚀性，使用寿命长，能够有效应用在海洋气氛环境服役的飞机减速板运动筒上。

下面结合实施例对本发明提供的钛合金轴类件及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种与飞机减速板运动筒接管套配合安装使用的钛合金轴类件，总长153mm，配合转动部外径40mm，tc2材料；该钛合金轴类件的制备过程如下：

(1)将钛合金轴类件基体固定在转台上，采用空气超音速喷枪在钛合金轴的配合转动部表面扫两遍，过程中只通混合气体(空气、丙烷和氢气)不通喷涂粉末，以去除配合转动部表面氧化层和污染物；

以氮气为送粉载气，压力0.0015mpa，在空气超音速喷枪中通入粒度为10～35μm的wc-10co-4cr粉末，空气超音速喷涂时空气压力为40mpa，以丙烷为主燃料气、丙烷压力为0.8mpa，氢气为次燃料气、氢气压力为0.1mpa；喷涂过程中通过旋转转台保证喷涂层的均匀性，同时，控制轴温不超过120℃，喷涂过程中采用千分尺测量配合转动部表面涂层厚度增加量350μm；

(2)空气超音速喷涂后采用金刚石砂轮对涂层进行磨削精加工，直到涂层表面无上裂纹，无肉眼可见的孔隙，控制磨削后涂层表面粗糙度ra＜0.8μm，保证尺寸精度在要求的配合范围之内；然后采用丙酮超声波清洗钛合金轴，超声功率1kw，超声时间15min，清洗后将钛合金轴放入100℃烘箱中，保温处理10min；

(3)将步骤(2)得到的钛合金轴固定在磁控溅射设备转架上，然后抽真空，待真空室真空度达到2×10^-3pa后，通入氩气进行等离子体辉光刻蚀清洗，氩气流量200sccm，离子源功率设定1.5kw，刻蚀时间30min；等离子体辉光刻蚀后，通入120sccm氮气，开启铬靶，溅射功率6kw，基体偏压120v，沉积4h涂层厚度增加6μm，得到所述钛合金轴类件，其结构示意图和实物图分别如图1和图2所示，图1和图2中，1表示螺纹部，2表示定位部，3表示配合转动部，4表示配合转动部表面的涂层，5表示管嘴部。

经测试，本实施例制备的钛合金轴类件涂层表面硬度为1950hv0.05，涂层与钛合金基体的结合强度为79.93mpa，涂层应力0.8gpa，在100n载荷条件下经2h摩擦磨损后，涂层损失质量仅0.0126g，涂层经240h中性盐雾腐蚀试验未出现腐蚀点(硬度采用显微硬度计测试，结合强度用拉伸试验机测试，涂层应力采用x射线衍射测试，摩擦磨损试验采用球-盘摩擦磨损试验机测试，盐雾试验采用盐雾试验箱测试)。

实施例2

一种与飞机减速板运动筒接管套配合安装使用的钛合金轴，总长420mm，配合转动部外径34mm，tc4材料；该钛合金轴类件的制备过程如下：

(1)将钛合金轴类件基体固定在转台上，首先，采用空气超音速喷枪在钛合金轴的配合转动部表面扫两遍，过程中只通混合气体(空气、丙烷和氢气)不通喷涂粉末，以去除配合转动部表面氧化层和污染物；以氮气为送粉载气，压力0.0018mpa，在空气超音速喷枪中通入粒度为5～45μm的wc-20cr3c2-7.5ni粉末，空气超音速喷涂时空气压力为45mpa，以丙烷为主燃料气、丙烷压力为0.9mpa，氢气为次燃料气、氢气压力为0.15mpa；喷涂过程中通过旋转转台保证喷涂层的均匀性，同时，控制轴温不超过120℃，喷涂过程中采用千分尺测量配合转动部表面涂层厚度增加量300μm；

(2)空气超音速喷涂后采用立方氮化硼砂轮对涂层进行磨削精加工，直到涂层表面无上裂纹，无肉眼可见的孔隙等，控制磨削后涂层表面粗糙度ra＜0.8μm，保证尺寸精度在要求的配合范围之内；然后采用丙酮超声波清洗钛合金轴，超声功率1kw，超声时间12min，清洗后将钛合金轴放入100℃烘箱中，保温处理10min；

(3)将步骤(2)得到的钛合金轴固定在磁控溅射设备转架上，然后抽真空，待真空室真空度达到2×10^-3pa后，通入氩气进行等离子体辉光刻蚀，氩气流量180sccm，离子源功率设定1.2kw，刻蚀时间45min；等离子体辉光刻蚀清洗后，通入150sccm氮气，开启铬铝靶，溅射功率8kw，基体偏压100v，沉积4h涂层厚度增加8μm，得到所述钛合金轴类件，其结构示意图和实物图分别如图1和图2所示，图1和图2中，1表示螺纹部，2表示定位部，3表示配合转动部，4表示配合转动部表面的涂层，5表示管嘴部。

经测试，制备的钛合金轴类件涂层表面硬度1880hv0.05，涂层的结合强度76.58mpa，涂层应力0.6gpa，在100n载荷条件下经2h摩擦磨损后，涂层损失质量仅0.0132g，涂层经240h中性盐雾腐蚀试验未出现腐蚀点。

由以上实施例可以看出，本发明提供的钛合金轴类件具有低应力，涂层与钛合金基体的结合强度高，且硬度高，具有优异的耐磨和耐蚀性，从而能够显著提高使用寿命长。

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。