對有時效強化效應(yīng)的Ti合金長軸類零件的復(fù)合低溫滲氮工藝的制作方法

本發(fā)明涉及的是一種Ti合金滲氮方法，具體地說是一種對TC4、TC21等有時效強化效應(yīng)的Ti合金所制造的長軸類零件在低溫下進(jìn)行滲氮的方法。

背景技術(shù)：

TC4和TC21等鈦合金以其比強度高，耐腐蝕性能優(yōu)良的特點在航空航天及海洋工程等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

TC4和TC21等鈦合金有時效強化的熱處理強化方式。鈦合金經(jīng)固溶處理后，獲得過飽和固溶體，在隨后的低溫加熱保溫時，第二相從過飽和固溶體中析出，引起強度、硬度以及物理和化學(xué)性能的顯著變化，這一過程被稱為時效強化。

鈦合金的缺點為其固有的摩擦學(xué)性能差，此缺點限制了其應(yīng)用范圍。氣體滲氮和離子滲氮被廣泛采用來強化TC4和TC21表面，提高其抗磨損性能，有熱變形小、表面滲層和基體結(jié)合好、滲層表面生成的氮鈦化合物硬度高的等優(yōu)點。

目前針對鈦合金零件的滲氮主要集中在650℃-900℃的高溫區(qū)間，而高溫滲氮會導(dǎo)致鈦合金基體內(nèi)晶粒長大，降低塑性和疲勞性能。

而600℃以下低溫離子滲氮的研究表明，在此溫度區(qū)間N元素滲入鈦合金的速率非常緩慢，材料表面性能提高十分有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低溫滲氮效率高，不會導(dǎo)致強度和疲勞性能降低的對有時效強化效應(yīng)的Ti合金長軸類零件的復(fù)合低溫滲氮工藝。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)對由有時效強化效應(yīng)的合金Ti所制造的長軸類零件進(jìn)行固溶處理；

(2)進(jìn)行冷拉拔或減徑擠壓；

(3)在400℃—640℃下滲氮。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述固溶處理是在720℃-850℃的溫度下加熱，然后水淬。

2、所述冷拉拔或減徑擠壓的變形率在5％--60％之間。

3、所述滲氮在400℃—540℃下進(jìn)行。

本發(fā)明提出TC4、TC21等鈦合金制造的長軸類零件的復(fù)合低溫滲氮工藝，工藝過程為固溶處理—冷拉拔或減徑擠壓—低溫滲氮。本發(fā)明的原理為利用整體冷變形在合金基體造成的內(nèi)部組織缺陷加快滲氮的速度。

本發(fā)明的主要特點有兩點：

第一，利用形變造成的內(nèi)部組織缺陷促進(jìn)TC4、TC21等鈦合金低溫滲氮的效率，使650℃以下低溫滲氮的效果能達(dá)到高溫滲氮的水平。

第二，預(yù)先對鈦合金進(jìn)行了固溶處理，同時滲氮溫度設(shè)計在TC4、TC21的時效強化溫度區(qū)間內(nèi)，則滲氮時零件基體在時效溫度下，產(chǎn)生時效強化，使零件內(nèi)部基體的性能得到強化。

因此，復(fù)合工藝在滲氮的同時還可以增強內(nèi)部基體，起到內(nèi)外雙重強化的作用。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的獨特性在于：在滲氮之前對零件進(jìn)行固溶處理+冷拉拔或減徑擠壓。冷拉拔或減徑擠壓在合金基體內(nèi)形成位錯、空穴等內(nèi)部缺陷，可加快滲氮過程中N元素在合金內(nèi)的擴(kuò)散速度，提高滲層生長的速率。同時，TC4、TC21等有時效效應(yīng)的鈦合金先經(jīng)過固溶處理然后再滲氮，因為低溫滲氮溫度在這些合金的時效溫度區(qū)間內(nèi)，則在滲氮時，固溶處理后的合金內(nèi)部基體產(chǎn)生時效效應(yīng)，使基體的性能得到強化。

與現(xiàn)有的通用TC4、TC21滲氮工藝相比，本發(fā)明的有益效果如下：

(一)能提高合金低溫滲氮的效率，大大增加了低溫滲氮的效果，使其與高溫滲氮的性能相當(dāng)，改變了Ti合金低溫滲氮時滲層生長率低，幾乎無法進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的問題。

設(shè)滲氮后本發(fā)明的復(fù)合低溫滲氮工藝取得的硬度增加值為ΔH2，通用滲氮工藝取得的硬度增加值為ΔH1，則ΔH2遠(yuǎn)大于ΔH1。比如TC4在變形率為30％，滲氮溫度為500℃時滲氮16h，ΔH2/ΔH1可達(dá)231％。又比如TC4在540℃/40％/16h工藝下，本發(fā)明的復(fù)合低溫滲氮工藝得到表面硬度值HV661，與通用滲氮工藝700℃/10h得到的表面硬度HV630的值相當(dāng)。

(二)在滲氮時產(chǎn)生時效強化，使基體的強度增加，改變了在650℃到900℃的高溫區(qū)間滲氮時，高溫導(dǎo)致基體內(nèi)晶粒長大，強度和疲勞性能降低的情況。

比如在TC4合金使用通用滲氮工藝滲氮，900℃滲氮24h后，基體晶粒從3μm長大到14.1μm，強度下降13％；而使用本發(fā)明的復(fù)合低溫滲氮工藝滲氮后的合金，540℃/22h工藝下滲氮后，表現(xiàn)出合金的時效效應(yīng)，基體組織晶粒細(xì)化，基體硬度比滲氮前增加了HV100，可見復(fù)合低溫滲氮后基體性能得到了改善，與高溫滲氮后合金基體性能的變化趨勢相反。

附圖說明

圖1為實施例3復(fù)合低溫滲氮工藝后零件的表面XRD分析圖譜。

圖2為實施例3復(fù)合低溫滲氮工藝后零件的表面硬度。

圖3為實施例3復(fù)合低溫滲氮工藝后零件的滲層SEM圖譜。

圖4a-圖4c為實施例3復(fù)合低溫滲氮工藝后零件的基體組織金相，其中：圖4a為0％變形率；圖4b為30％變形率；圖4c為50％變形率。

圖5為實施例3復(fù)合低溫滲氮工藝后零件的基體硬度。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明不僅限于這些實施例，在未脫離本發(fā)明宗旨的前提下，所作的任何改進(jìn)均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

實施例1：

一種對TC4、TC21等有時效強化效應(yīng)的合金所制造的長軸類零件在400℃-650℃之間進(jìn)行滲氮的方法。其特征在于零件經(jīng)過如下工藝：固溶處理—冷拉拔或減徑擠壓—低溫滲氮。

所述的對TC4零件形變復(fù)合低溫滲氮工藝，包括以下步驟：

(1)零件用TC4合金制造；

(2)固溶處理：零件毛坯在820℃的溫度下加熱然后水淬；

(3)冷拉拔：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進(jìn)行離子滲氮，滲氮溫度400℃，滲氮時間7h。

實施例2：

(1)零件用TC4合金制造；

(2)固溶處理：零件毛坯在820℃的溫度下加熱然后水淬；

(3)冷拉拔：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進(jìn)行離子滲氮，滲氮溫度500℃，滲氮時間16h。

實施例3：

(1)零件用TC4合金制造。

(2)固溶處理：零件毛坯在820℃的溫度下加熱然后水淬；

(3)冷拉拔：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進(jìn)行離子滲氮，滲氮溫度540℃，滲氮時間16h。

上述各實施例中，必要時變形后進(jìn)行切削加工至滿足產(chǎn)品工藝要求的尺寸。