本發明涉及的是一種ti合金滲氮方法，具體地說是一種對tc4、tc21等有時效強化效應的ti合金所制造的螺旋槳/泵的葉片類零件在低溫下進行滲氮的方法。

背景技術：

tc4和tc21等鈦合金以其比強度高，耐腐蝕性能優良的特點在航空航天及海洋工程等領域有重要應用。

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性能差，此缺點限制了其應用范圍。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、表面滲層和基體結合好、滲層表面生成的氮鈦化合物硬度高的等優點。

目前針對鈦合金零件的滲氮主要集中在650℃-900℃的高溫區間，而高溫滲氮會導致鈦合金基體內晶粒長大，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。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種低溫滲氮效率高，不會導致強度和疲勞性能降低的對有時效強化效應的ti合金制造的螺旋槳或泵葉片類零件的復合低溫滲氮工藝。

本發明的目的是這樣實現的：

(1)對由有時效強化效應的ti合金所制造的螺旋槳或泵葉片類零件進行固溶處理；

(2)進行冷型鍛或冷擠壓成形；

(3)在400℃—640℃溫度下滲氮。

本發明還可以包括：

1、所述固溶處理是在720℃-850℃的溫度下加熱，然后水淬。

2、所述冷型鍛或冷擠壓成形的變形率在5％--60％之間。

3、滲氮選擇在400℃—540℃溫度下進行。

本發明提出tc4、tc21等鈦合金制造的螺旋槳/泵葉片類零件的復合低溫滲氮工藝，工藝過程為固溶處理—冷型鍛或冷擠壓成形—低溫滲氮。本發明的原理為利用整體冷變形在合金基體造成的內部組織缺陷加快滲氮的速度。

本發明的特點主要有兩點：

第一，利用形變造成的內部組織缺陷促進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到高溫滲氮的水平。

第二，預先對鈦合金進行了固溶處理，同時滲氮溫度設計在tc4、tc21的時效強化溫度區間內，則滲氮時零件基體在時效溫度下，產生時效強化，使零件內部基體的性能得到強化。

因此，復合工藝在滲氮的同時還可以增強內部基體，起到內外雙重強化的作用。

與已有技術相比，本發明的獨特性在于：在滲氮之前對零件進行固溶處理+冷型鍛或冷擠壓成形。冷型鍛或冷擠壓成形在合金基體內形成位錯、空穴等內部缺陷，可加快滲氮過程中n元素在合金內的擴散速度，提高滲層生長的速率。同時，tc4、tc21等有時效效應的鈦合金先經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間內，則在滲氮時，固溶處理后的合金內部基體產生時效效應，使基體的性能得到強化。

與現有的通用tc4、tc21滲氮工藝相比，本發明的有益效果如下：

(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，改變了ti合金低溫滲氮時滲層生長率低，幾乎無法進入工業應用的問題。

設滲氮后本發明的復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231％。又比如在540℃/40％/16h工藝下，tc4用本發明的復合低溫滲氮工藝處理得到表面硬度值hv661，與通用滲氮工藝700℃/10h得到的表面硬度hv630的值相當。

(二)在滲氮時產生時效強化，使基體的強度增加，改變了在650℃到900℃的高溫區間滲氮時，高溫導致基體內晶粒長大，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％；而使用本發明的復合低溫滲氮工藝滲氮后的合金，540℃/22h工藝下滲氮后，表現出合金的時效效應，基體組織晶粒細化，基體硬度比滲氮前增加了hv100，可見復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復合低溫滲氮工藝后零件的表面硬度。

圖3為實施例3復合低溫滲氮工藝后零件滲層中鈦氮化合物層的納米壓痕分析。

圖4a-圖4b為實施例3復合低溫滲氮工藝后零件的滲層硬度梯度。

圖5為實施例3復合低溫滲氮工藝后零件的基體硬度。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明作進一步的說明，但本發明不僅限于這些實施例，在未脫離本發明宗旨的前提下，所作的任何改進均落在本發明的保護范圍內。

實施例1：

一種對tc4、tc21等有時效強化效應的合金所制造的螺旋槳/泵葉片類零件在400℃-650℃之間進行滲氮的方法。其特征在于零件經過如下工藝：固溶處理—冷型鍛或冷擠壓成形—低溫滲氮。

所述的對tc4零件形變復合低溫滲氮工藝，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)冷擠壓成形：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進行離子滲氮，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)冷擠壓成形：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進行離子滲氮，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)冷擠壓成形：變形率為20％—40％；

(4)滲氮：進行離子滲氮，滲氮溫度540℃，滲氮時間16h。

上述各實施例中，必要時變形后進行切削加工至滿足產品工藝要求的尺寸。

技術特征：

技術總結
本發明提供的是一種對有時效強化效應的Ti合金制造的螺旋槳或泵葉片類零件的復合低溫滲氮工藝。(1)對由有時效強化效應的Ti合金所制造的螺旋槳或泵葉片類零件進行固溶處理；(2)進行冷型鍛或冷擠壓成形；(3)在400℃—640℃溫度下滲氮。使用本發明的復合滲氮工藝處理，在低溫滲氮時，可得到單純滲氮工藝在較高溫度下得到的表面硬度和抗摩擦磨損能力。同時在固溶+低溫滲氮的處理下，零件的基體組織晶粒細化，強度增加，改善了鈦合金高溫滲氮后零件基體組織晶粒長大，塑性和疲勞性能下降的問題。強化了表面的性能，同時改善了內部組織，而且降低了滲氮溫度，節省能源，兼之工藝簡單，容易實現工業化生產。

技術研發人員：朱小碩;傅宇東;馮曉雪;劉冠杞
受保護的技術使用者：哈爾濱工程大學
技術研發日：2017.03.13
技術公布日：2017.07.14