阅读说明：本技术 一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用 (Titanium alloy low-temperature oxynitride superhard super-thick infiltrated layer and preparation method and application thereof ) 是由 牛云松 杨延格 王海峰 朱圣龙 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用,属于金属材料表面处理技术领域。在钛合金部件表面上,通过低温等离子渗氧及后续的等离子氧氮化处理复合处理方案,获得表面超硬且渗层超厚的耐磨耐腐蚀氧氮化渗层。所述复合处理工艺控制温度在620～650℃范围内,渗层的表面硬度在Hv-(0.05)1100～2900范围内,表面化合物层厚度在5～20微米之间,渗层深度可达300微米。该工艺能够解决钛合金部件表面耐磨性较差,硬度较低的复合表面处理工艺技术,更因较低的工艺处理温度防止复杂钛合金部件的大幅度变形,可以避免高温等离子氮化处理过程中基材发生的相转变,保证钛合金原本的基材力学性能。(The invention discloses a titanium alloy low-temperature oxynitride superhard super-thick infiltrated layer as well as a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of surface treatment of metal materials. On the surface of the titanium alloy part, a wear-resistant corrosion-resistant oxynitriding layer with super-hard surface and super-thick diffusion layer is obtained through a low-temperature plasma oxygen permeation and subsequent plasma oxynitriding treatment composite treatment scheme. The temperature of the composite treatment process is controlled within the range of 620-650 ℃, and the surface hardness of the infiltrated layer is Hv 0.05 1100-2900, the thickness of the surface compound layer is 5-20 μm, and the depth of the penetrated layer can reach 300 μm. The process can solve the problems of poor surface wear resistance and low hardness of the titanium alloy part by using a composite surface treatment process technology, prevent the complex titanium alloy part from being greatly deformed due to low process treatment temperature, avoid phase transformation of the base material in the high-temperature plasma nitriding treatment process and ensure the original mechanical property of the base material of the titanium alloy.)

一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用

技术领域：

本发明涉及金属材料表面处理技术，具体为一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用。

背景技术：

钛及钛合金具有优良的综合性能，在航空航天、汽车、医用等领域获得广泛应用。然而钛合金表面硬度低，耐磨性能差，极大的限制了钛合金的使用范围。等离子渗氮是常用的表面处理方法，可以获得表面硬度高的渗氮层。

然而，钛合金普遍存在两个相，大多数钛合金都存在α+β/β的相转变温度，指的是在一定温度下，钛合金会发生相转变，其相关力学性能会发生变化。中国发明专利ZL201910621221.3中指出其钛合金离子氮化温度为870-890℃，保温8-10小时，其温度较高，如针对TA系列的钛合金，则会发生相转变，基材力学性能降低，使得工件无法服役。同样中国发明专利ZL 202010234027.2也同样将氮化温度升至750℃，甚至950℃，基材已发生相转变，力学性能会下降。另外，针对尺寸精度控制要求较高的工件，如将工件提升至700℃以上，工件会严重变形，直接报废。另外，低温氮化也同样可以发生，中国发明专利201910983906.2中，其实施例1中采用的温度为600℃，氮化时间达10小时，其渗层厚度仅为20微米，虽然该温度下能保证基体变形量较小，但是渗层深度较浅，服役寿命较低。

发明内容

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本发明的目的在于一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用，在钛合金部件表面上，通过低温等离子渗氧及后续的等离子氧氮化处理复合处理方式，获得表面超硬且渗层超厚的耐磨耐腐蚀氧氮化渗层，并能保证钛合金工件不发生相转变和大幅度的变形。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层的制备方法，该方法是以钛合金为基底材料，在低温条件下依次进行等离子渗氧及等离子氧氮化技术的复合处理工艺，在钛合金表面获得具有超高硬度且渗层超厚的耐磨耐腐蚀氧氮化渗层；所述复合处理工艺控制温度在620～650℃范围内。该方法具体包括如下步骤：

(1)将清洗干净的钛合金工件装入等离子氮化炉的炉腔内，将真空室抽真空至1～5Pa，同时通入氧氮混合气体和氩气，氧氮混合气体的流量为50～100ml/min，氩气的流量为30～300ml/min，加热至620～650℃范围内，保温2～3小时；所述氧氮混合气体是由氧气与氮气按照1:(4-10)的体积比例混合而成。

(2)进一步通入高纯氮气，氮气的流量为400～600ml/min，继续在620～650℃范围内保温，保温时间1.5～7小时；随炉冷却至室温后取出。

利用所述方法制备的钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层，其表面硬度在Hv_0.051100～2900范围内；所述渗层包括由外至内的表面化合物层和氧氮化扩散层，表面化合物层厚度在5～20微米之间，整个渗层深度可达300微米；所述表面化合物层含TiO₂、TiN和Ti₂N相。

所述钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层应用于各种牌号的钛合金制件或激光增材制造工艺获得钛合金制件的表面。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明利用耐腐蚀耐磨氧氮化处理获得耐腐蚀氧氮化的强韧渗层，从而可以在620～650℃的低温下获得渗层超厚、表面硬度超高的氧氮化渗层，不改变任何钛合金的基材相结构，保证基材力学性能的同事，提高钛合金表面的耐磨耐腐蚀性能。

2、本发明采用常规等离子氮化热处理炉，通过非常规的工艺改进可实现低温氧氮化处理，使得基材免于出现大幅度变形情况，同时便于大批量生产，产品质量容易控制，所需设备简单，投资少。

3、采用本发明制备的耐腐蚀氧氮化强韧层具有优良的综合性能，强韧层的硬度在Hv_0.051100-2900范围内、强韧层的厚度在100-500微米范围内可调。这种耐腐蚀氧氮化强韧层的主要优点有：(1)强韧层与基体之间的结合强度高；(2)界面较慢的梯度硬度可抑制渗层开裂；(3)超高的表面强度、良好的塑韧性和耐腐蚀性能；(4)优越的抗疲劳性能。

附图说明：

图1为铸造TC4钛合金氧氮化处理后的截面硬度照片。

图2为铸造TC4钛合金氧氮化处理后的截面硬度梯度分布。

图3为激光增材制造TC4钛合金氧氮化处理后的截面硬度照片。

具体实施方式

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以下结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

经过表面去除油污、在丙酮有机溶剂中超声清洗10分钟后，将干燥后的铸造TC4钛合金工件置入等离子热处理炉中，将真空室抽真空至低于10Pa，通氧氮混合气体，其中氧气和氮气体积比例为1:6，氧氮混合气体总流量为70ml/min；通入氩气，氩气流量为200ml/min，给工件施加负偏压由0伏逐渐匀速升至800伏进行等离子轰击清洗20分钟；之后，通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到640℃，保温120分钟；再通入氮气，流量为500ml/min，同样在640℃继续保温6小时，之后随炉冷却至室温取出，从而在铸造TC4钛合金表面获得具有超硬超厚的氧氮化渗层。样品表面包括包含TiO₂、TiN和Ti₂N相的化合物层，以及氧氮扩散层。渗层表面硬度为Hv_0.052728，其渗层深度如图1所示，总渗层厚度约为274微米。图2为渗层硬度梯度分布。

实施例2

经过表面去除油污、在丙酮有机溶剂中超声清洗10分钟后，将干燥后的激光增材制造的TC4钛合金工件置入等离子热处理炉中，将真空室抽真空至低于10Pa，通氧氮混合气体，其中氧气和氮气体积比例为1:5，总流量为60ml/min；通入氩气，流量为150ml/min，给工件施加负偏压由0伏逐渐匀速升至800伏进行等离子轰击清洗20分钟；之后，通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到630℃，保温120分钟；再通入氮气，流量为400ml/min，同样在630℃继续保温4小时，之后随炉冷却至室温取出，从而在激光增材制造TC4钛合金表面获得具有超硬超厚的氧氮化渗层。样品表面包括包含TiO₂、TiN和Ti₂N相的化合物层，以及氧氮扩散层。渗层表面硬度为Hv_0.051152，其渗层深度如图3所示，总渗层厚度约为108微米。

实施例3

经过表面去除油污、在丙酮有机溶剂中超声清洗10分钟后，将干燥后的铸造TC6钛合金工件置入等离子热处理炉中，将真空室抽真空至低于10Pa，通氧氮混合气体，其中氧气和氮气体积比例为1:10，总流量为100ml/min；通入氩气，流量为100ml/min，给工件施加负偏压由0伏逐渐匀速升至800伏进行等离子轰击清洗30分钟；之后，通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到650℃，保温120分钟；再通入氮气，流量为550ml/min，同样在650℃继续保温1.5小时，之后随炉冷却至室温，取出，从而在铸造TC6钛合金表面获得具有超硬超厚的氧氮化渗层。样品表面包括包含TiO₂、TiN和Ti₂N相的化合物层，以及氧氮扩散层。渗层表面硬度为Hv_0.051643，总渗层厚度约为60微米。

实施例4

经过表面去除油污、在丙酮有机溶剂中超声清洗10分钟后，将干燥后的铸造TA2钛合金工件置入等离子热处理炉中，将真空室抽真空至低于10Pa，通氧氮混合气体，其中氧气和氮气体积比例为1:4，总流量为50ml/min；通入氩气，流量为300ml/min，给工件施加负偏压由0伏逐渐匀速升至800伏进行等离子轰击清洗10分钟；之后，通过离子轰击使得工件温度逐渐升高到620℃，保温120分钟；再通入氮气，流量为600ml/min，同样在620℃继续保温6.5小时，之后随炉冷却至室温，取出，从而在铸造TA2钛合金表面获得具有超硬超厚的氧氮化渗层。样品表面包括包含TiO₂、TiN和Ti₂N相的化合物层，以及氧氮扩散层。渗层表面硬度为Hv_0.052871，总渗层厚度约为300微米。