阅读说明：本技术 一种钛合金表面渗氮工艺 (Titanium alloy surface nitriding process ) 是由 冯志浩 孙信阳 秦雪明 孟致安 胡希磊 韩鹏彪 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明具体公开一种钛合金表面渗氮工艺。所述方法包括：表面经过预处理的钛合金基体放入真空渗氮装置中,抽真空,将所述真空渗氮装置升温至渗氮温度；所述渗氮温度为400-1300℃；向所述真空渗氮装置内通入氮化气体,氮化0.1-15h,通入惰性气体,冷却至室温,即可在钛合金表面形成氮化钛层；所述氮化气体为体积比为1:0-5的氮气和氩气。本发明所提供的钛合金表面渗氮工艺,可根据钛合金服役的具体要求,在低温和高温下制备不同性能的改性钛合金,其中,氮化钛层的厚度可达到20-200μm,硬度最高可达到2100HV<Sub>0.5</Sub>,平均磨损失重为1.67-3.14g,相比基体硬度和耐磨性明显提高。(The invention specifically discloses a titanium alloy surface nitriding process. The method comprises the following steps: putting the titanium alloy matrix with the surface subjected to pretreatment into a vacuum nitriding device, vacuumizing, and heating the vacuum nitriding device to a nitriding temperature; the nitriding temperature is 400-1300 ℃; introducing nitriding gas into the vacuum nitriding device, nitriding for 0.1-15h, introducing inert gas, and cooling to room temperature to form a titanium nitride layer on the surface of the titanium alloy; the nitriding gas is nitrogen and argon in a volume ratio of 1: 0-5. The surface nitriding process of the titanium alloy can prepare modified titanium alloys with different properties at low temperature and high temperature according to the specific requirements of the service of the titanium alloy, wherein the thickness of the titanium nitride layer can reach 20-200 mu m, and the highest hardness can reach 2100HV 0.5 The average abrasion weight loss is 1.67-3.14g, and compared with the matrix hardness and the abrasion resistance, the matrix hardness and the abrasion resistance are obviously improved.)

一种钛合金表面渗氮工艺

技术领域

本发明涉及钛合金表面改性技术领域，尤其涉及一种钛合金表面渗氮工艺。

背景技术

钛合金与其他金属材料相比，具有密度低、比强度高、抗蚀性能和抗低温、高温性能优越的优点，因此，被广泛应用于军事工业、核工业、化工行业以及汽车工业等领域。然而，钛合金表面的硬度较低，耐磨性能较差，对粘着磨损和微动磨损非常敏感，因而其使用范围受到了很大的限制。如何改善钛合金的硬度和耐磨性成为研究钛合金领域的热点之一。

钛的氮化物具有高熔点、高硬度、以及耐磨性和高温稳定性能优异等优点。在钛合金表面制备钛的氮化物改性层是提高其表面硬度，改善其耐磨性，延长其使用寿命，扩大其使用范围的有效措施。目前，主要采用磁控溅射、离子渗氮、***体氮化及气体渗氮方法在钛合金表面制备钛的氮化物改性层。磁控溅射法处理膜层和基体间存在明显界面，结合强度差，涂层薄；离子渗氮不能对形状复杂的零件进行处理，且成本较高；激光渗氮容易出现组织缺陷(如气孔等)和裂纹。气体渗氮简单易行，成本低廉，可以在钛合金表面形成氮化物硬质相，显著提高耐磨性能和腐蚀性能，因此，受到了越来越广泛的应用。但是，现有气体渗氮一般是在低温下进行渗氮，存在氮化速度慢、渗层薄、渗层脆及处理时间过长等缺点，制备得到的改性钛合金不能满足工业生产长期服役的要求，

发明内容

针对现有技术中一般是在低温下进行渗氮，且存在氮化速度慢、渗层薄、渗层脆及处理时间过长等缺点的问题，本发明提供一种钛合金表面渗氮工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种钛合金表面渗氮工艺，具体包括以下步骤：

步骤a，将表面经过预处理的钛合金基体放入真空渗氮装置中，抽真空，将所述真空渗氮装置升温至渗氮温度；所述渗氮温度为400-1300℃；

步骤b，向所述真空渗氮装置内通入氮化气体，氮化0.1-15h，通入惰性气体，冷却至室温，即可在钛合金表面形成氮化钛层。

相对于现有技术，可根据钛合金服役的具体要求，在低温和高温下制备不同性能的改性钛合金，同时还解决了现有制备工艺制备得到的改性钛合金表面粗糙、存在裂纹、组织不均匀等问题。通过本发明提供的渗氮工艺制备得到的改性钛合金，氮化钛层的厚度可达到20-200μm，硬度最高可达到2100HV_0.5，平均磨损失重为1.67-3.14g，摩擦系数为0.15-0.36，相比基体硬度和耐磨性明显提高，制备得到的氮化钛层晶粒细小且分布均匀，表面平整无裂纹，且工艺简单，可控性强，具有广阔的应用前景。

优选的，步骤a中，所述渗氮温度为400-900℃。

优选的，当渗氮温度为400-900℃，步骤b中，所述氮化气体为体积比为1:0-1的氮气和氩气的混合气体。

优选的，当渗氮温度为400-900℃，步骤b中，氮化时间为3-15h。

采用在400-900℃低温条件下渗氮，且采用体积比为1:0-1的氮气和氩气的混合气体，可使氮原子在基体组织中均匀扩散，有利于改善渗氮层的平整度，使渗氮层无凹坑和凸起等缺陷，进而提高碳化氮层的耐磨性和硬度。

优选的，步骤a中，所述渗氮温度为900-1300℃。

优选的，步骤b中，所述氮化气体为体积比为1:1-5的氮气和氩气的混合气体。

渗氮温度是影响氮原子扩散速率的重要因素，温度越高，扩散速度越大，渗层厚度越大。但是，温度较高时(超过950℃)，氮化层厚度增加，由于氮化层和基体的膨胀系数不同，会导致钛合金渗氮过程中氮化物层会对基体产生很大的应力，从而导致膜层出现裂纹，破裂暴露的基体继续与氮反应会导致表层组织疏松。因此，现有技术一般选择最高在850-950℃条件下进行渗氮。

本发明通过将氮氩比控制在1:1-5的范围内，控制混合气体中氮气的含量，从而控制吸氮速度和氮原子在基体中的扩散速率，实现了在900-1300℃相变点以上的温度下渗氮的顺利实现，避免了高温渗氮中容易出现的氮化层晶粒粗大、组织不均匀、存在裂纹等问题的出现。当氮氩比超过1:1时，会导致高密度氮化物集中分布于表层，使得表层制备的氮化钛的弹性模量增加，进而脆性增加，产生裂纹等缺陷。

优选的，步骤b中，氮化时间为0.1-3h。

渗氮时间越长，渗层厚度越大。但是当渗氮时间达到一定数值后，渗层厚度增加的速度减慢，但是组织缺陷增多，优选的高温氮化时间，在保证渗层厚度的前提下，可有效减少组织缺陷。

优选的，步骤a中，采取程序升温的方式升温至氮化温度，升温速率为1-10℃/min。

优选的升温速率可使钛合金组织更加均匀。

优选的，步骤b，采取程序降温的方式降温至室温，降温速率为0.5-3℃/min。

优选的降温速率可避免氮化层与基体组织应力过大而脱落问题的出现。

优选的，步骤b中，氮化气体的通入速率为1-10L/min。

优选的氮化气体的通入速率有利于提高氮化层中各厚度处的氮含量，进而提升整个渗碳表面的强度。

可选的，步骤b中所述惰性气体可为本领域常规的惰性气体，如氩气、氦气等。惰性气体从氮化结束后一直持续通入，直至氮化样品冷却至室温

优选的，步骤a中，抽真空至真空度为0.1Pa以下。

渗氮之前将装置抽真空至真空度低于0.1Pa，有利于钛合金基体表面吸附的其他气体和杂质脱附排出渗氮装置外，使得钛合金表面进一步净化，从而促进渗氮过程中氮原子的吸收和扩散，提高渗氮效率；同时，还能减少渗氮装置内的有害气氛，有效防止其他气体在钛合金基体表面形成吸附层，防止氧化、氢脆及黑色组织生成。

优选的，步骤a中，钛合金基体表面预处理的方法为：将所述钛合金基体分别用100目、200目和500目水磨砂纸进行逐次打磨，然后于功率为30-50Hz的条件下超声清洗20-30min，冷风干燥。

优选的钛合金表面的预处理方法可有效清除表面吸附的杂质，减少渗氮层缺陷的生成。

本发明中所述氮气和氩气均为纯度≥99.99％的高纯气体。所述钛合金基体可为本领域常规的钛合金，如Ti-6Al-4V、TB6、TC4或TA15钛合金等。所述渗氮装置可为真空炉或气氛管式炉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1制备的钛合金表面的氮化钛层的截面形貌图；

图2是本发明实施例2制备的钛合金表面的氮化钛层的截面形貌图；

图3是本发明实施例3制备的钛合金表面的氮化钛层的截面形貌图；

图4是本发明实施例1至实施例3中钛合金表面氮化钛层的硬度分布曲线图。

图5是本发明实施例1至实施例3制备的氮化钛层和钛合金基体的摩损失重柱状图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

一种钛合金表面渗氮工艺，包括以下步骤：

步骤一、钛合金基体表面的预处理：将Ti-6Al-4V钛合金材料切割成15mm×80mm×10mm，用100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为40Hz状态下清洗25min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将钛合金基体放到SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉氮化装置内，并对装置密封处理，通过真空泵对氮化装置抽真空至0.1Pa以下；

步骤三、设置氮化装置的升温速率为5℃/min，将温度升高到渗氮温度600℃，并保持炉内真空环境；

步骤四、向所述渗氮装置内以3L/min流量通入高纯氮气，氮化10h，以3℃/min的速率降温至室温。

实施例2

一种钛合金表面渗氮工艺，包括以下步骤：

步骤一、钛合金基体表面的预处理：将TB6钛合金材料切割成15mm×80mm×10mm，用100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为35Hz状态下清洗30min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将钛合金基体放到SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉氮化装置内，并对装置密封处理，通过真空泵对氮化装置抽真空至0.1Pa以下；

步骤三、设置氮化装置的升温速率为8℃/min，将温度升高到渗氮温度950℃，并保持炉内真空环境；

步骤四、向所述渗氮装置内以5L/min流量通入体积比为1:2的氮气和氩气的混合气体，氮化1h，以1℃/min的速率降温至室温。

实施例3

一种钛合金表面渗氮工艺，包括以下步骤：

步骤一、钛合金基体表面的预处理：将TA15钛合金材料切割成15mm×80mm×10mm，用100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为45Hz状态下清洗20min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将钛合金基体放到SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉氮化装置内，并对装置密封处理，通过真空泵对氮化装置抽真空至0.1Pa以下；

步骤三、设置氮化装置的升温速率为10℃/min，将温度升高到渗氮温度1200℃，并保持炉内真空环境；

步骤四、向所述渗氮装置内以8L/min流量通入体积比为1:5的氮气和氩气的混合气体，氮化0.5h，以0.5℃/min的速率降温至室温。

对实施例1-3制备的TiN层进行结构表征，利用扫描电镜(SEM)观察涂层的表面和截面形貌，如图1-3所示，从图中可以看出，实施例1制备的TiN层厚度约为20μm，实施例2制备的TiN层厚度约为50μm，实施例3制备的TiN层厚度约为200μm，且TiN层组织过渡均匀，表现出良好的冶金结合，组织结构紧密，未发现气孔、裂纹等组织缺陷。

利用显微维氏硬度计测量实施例1-3制备的TiN层的硬度分布，结果如图4所示，从图中可以看出，经渗氮处理后氮化区内氮化钛涂层的硬度最高可达到2100HV_0.5(基体合金硬度约为280HV_0.5)。说明表面渗氮制备的氮化钛涂层可以显著提高表层的硬度。

利用MMW-1型微机控制万能摩擦磨损试验机，分别检测实施例1-3制备的TiN涂层和基体的摩擦性能，结果如图5所示。采用Φ32mm淬火45号钢小销盘摩擦副作为对应物，摩擦副有效磨损直径25mm，所有试样均在载荷20N，转速为5r/min下转动10min。

磨损率为单位磨损面积上的磨损损失量。磨损率的计算公式可由下式表示：

式中：m为磨损前后的磨损损失，d为旋转直径，n为旋转的转速。

从图中可知，实施例1、2、3的耐磨性分别相对于基体组织分别提高了8、10和15倍，说明氮化钛层具有良好的抗摩擦磨损和减磨作用。

实施例1-3的磨损损失和摩擦系数结果汇总如表1所示。

表1

编号	磨损损失(g)	摩擦系数
			实施例1	3.14	0.36
实施例2	2.51	0.28
			实施例3	1.67	0.15
Ti-6Al-4V钛合金基体	25.12	0.58

实施例4

一种钛合金表面渗氮工艺，包括以下步骤：

步骤一、钛合金基体表面的预处理：将Ti-6Al-4V钛合金材料切割成15mm×80mm×10mm，用100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为40Hz状态下清洗25min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将钛合金基体放到SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉氮化装置内，并对装置密封处理，通过真空泵对氮化装置抽真空至0.1Pa以下；

步骤三、设置氮化装置的升温速率为1℃/min，将温度升高到渗氮温度400℃，并保持炉内真空环境；

步骤四、向所述渗氮装置内以10L/min流量通入高纯氮气，氮化15h，以0.5℃/min的速率降温至室温。

本实施例制备的TiN层的厚度约为90μm，硬度为1820HV_0.5，磨损损失为2.1g。

实施例5

一种钛合金表面渗氮工艺，包括以下步骤：

步骤一、钛合金基体表面的预处理：将TA15钛合金材料切割成15mm×80mm×10mm，用100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为40Hz状态下清洗25min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将钛合金基体放到SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉氮化装置内，并对装置密封处理，通过真空泵对氮化装置抽真空至0.1Pa以下；

步骤三、设置氮化装置的升温速率为10℃/min，将温度升高到渗氮温度1300℃，并保持炉内真空环境；

步骤四、向所述渗氮装置内以1L/min流量通入体积比为1:5的氮气和氩气的混合气体，氮化0.1h，以3℃/min的速率降温至室温。

实施例1-5中的SK-1600℃系列真空/气氛管式电炉，额定功率4KW，炉膛最高温度为1700℃。真空泵采用F100/110分子泵作为主工作泵，通过标准配件连接，全部采用不锈钢材料，电抛光处理，系统设计有预抽功能，极限真空度优于1.0×10^-3Pa。

本实施例制备的TiN层的厚度约为150μm，硬度为1900HV_0.5，磨损损失为1.93g。

对比例1

一种钛合金表面制备TiN涂层的方法，包括以下步骤：

步骤一、选择试样为TC4钛合金，将TC4钛合金基体经线切割成30mm*22mm*6mm的尺寸，100目、200目、500目水磨砂纸逐次进行打磨，然后用超声波在频率为45Hz状态下清洗20min，并用吹风机冷风模式进行吹干；

步骤二、将预处理后的TC4钛合金基体放入送气控制器内，通过送气喷嘴侧向输送高纯氮气，其纯度大于99.999％；送气参数设置为：喷嘴口与光斑距离为5～15mm，氮气流速计控制氮气流速为20L/min；

步骤三、TC4钛合金基体经送气处理5～10s后，打开光纤耦合全固态激光器对TC4钛合金基体表面进行激光氮化处理；激光参数设置为：激光器焦距为20mm，光斑直径为3mm；激光聚焦镜中心距样品加工表面为200mm，激光功率为800w,光斑速度为300mm/min，搭接率为20％；激光氮化处理时间为3min，制得TiN涂层。

利用显微维氏硬度计测量实施例1-5以及对比例1-2制备的TiN层的硬度，MMW-1型微机控制万能摩擦磨损试验机分别检测TiN涂层和基体的摩擦性能，计算与基体材料Ti-6Al-4V钛合金基体相比，硬度和耐磨量的增加量，结果汇总如表2所示。

表2

综上所述，本发明制备的氮化钛层的组织结构紧密，晶粒细小(约为50nm)，氮化钛层的硬度相对传统工艺(***体氮化)提高显著。从基体材料到氮化钛层表面的硬度值逐渐增加，最大值可达到基体硬度的3～7倍。经摩擦磨损实验测得：渗氮后氮化钛层的摩擦系数、磨损损失和磨痕深度都较基体和传统工艺制备的氮化钛涂层要小，耐磨性提高了8～15倍。制备的氮化钛层组织分布均匀，无氧化物夹杂，高温稳定性好，具有硬度和耐磨性高的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。