[发明专利]同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法

说明书

本发明公开了同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、基材表面预处理；步骤2、安置工件与辅助极板；步骤3、溅射清洗工件和辅助极板；步骤4、低温离子氮化处理，得到低温离子氮化处理的钛合金工件；步骤5、去除步骤4中工件表面的化合物层。本发明开发一种绿色、安全、低成本的方法，能够同步提高钛合金的耐磨和抗疲劳性能。

技术领域

本发明属于钛合金表面改性与强化方法技术领域，具体涉及同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法。

背景技术

很多钛合金零件在服役中往往同时承受着摩擦接触和交变疲劳载荷，如紧固件、发动机叶片和人造关节等。而钛合金的硬度低、耐磨性能差，大多数表面处理技术(电镀、热喷涂、表面合金化、物理或化学气相沉积等)在提高钛合金耐磨性的同时，往往又严重损害其疲劳性能。因此，同步提高钛合金的抗磨与抗疲劳性能是表面处理技术中的一个难点。

钛合金的常规离子氮化是在750℃-1100℃范围内处理数个小时，形成的氮化层通常由3部分组成，从外到内依次是：(1)化合物层，包含TiN、Ti2N相(TiN～2500HV，Ti2N～1500HV)；(2)氮稳定的α-Ti层，又称为α-Case区(800～1000HV)；(3)氮扩散区。常规离子氮化能够大幅提高钛合金(Ti6Al4V～400HV)的表面硬度，显著改善其耐磨性，但同时又会急剧恶化钛合金的疲劳性能，原因如下：(1)化合物层的脆性大，且化合物层(E＝250～640GPa)与钛合金基体(E＝110GPa)的刚度差异极大；(2)α-Case区的厚度大，脆性也较大；(3)高温处理引发钛合金基体的晶粒长大、微观组织转变，降低了基体的裂纹扩展抗力。

与常规离子氮化相比，低温(≤600℃)离子氮化对钛合金疲劳性能的负面影响显著下降。首先，低温离子氮化层主要由较薄的化合物层和较深的氮扩散层构成，氮扩散层能够缓解化合物层与钛合金基体的刚度失配；其次，较低的温度抑制了钛合金基体的晶粒长大和微观组织转变，对基体力学性能的负面影响极小。

在文献Materials ScienceEngineering A 620(2015)435–444中，低温(600℃)离子氮化钛合金的疲劳寿命比常规(900℃)离子氮化钛合金高两个数量级；但由于大量疲劳裂纹较易从脆性的化合物层表面萌生，导致低温离子氮化钛合金的疲劳寿命仍然明显低于未处理的钛合金基材；即使通过抛光处理减小低温离子氮化层的表面粗糙度，也仅能使高周疲劳寿命勉强恢复至与钛合金基材相当的水平。因此，需要进一步开发出能显著提高钛合金低周和高周疲劳性能的低温离子氮化方法。

此外，目前的常规离子氮化和低温离子氮化所用气体介质多为NH₃或者N₂+H₂，含氢的气体介质虽然能够促进氮的扩散，但存在环境污染与安全性问题。

发明内容

本发明的目的是提供同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法，解决了现有技术中钛合金表面离子氮化难以同步提高耐磨、抗疲劳性能的问题。

本发明所采用的技术方案是，同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、基材表面预处理；

步骤2、安置工件与辅助极板；

步骤3、溅射清洗工件和辅助极板；

步骤4、低温离子氮化处理，得到低温离子氮化处理的钛合金工件；

步骤5、去除步骤4中工件表面的化合物层。

本发明的特点还在于，

步骤1具体为：将钛合金工件沿轴向进行机械抛光，清洗干净后吹干备用。

步骤2具体按照以下步骤实施：