一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种航天钛合金TC4表面减磨耐磨强化层的制备方法，属于航天材料表面强化技术领域，所述方法首先对钛合金进行离子渗氮，在钛合金表面形成一层氮化物层，同时，在离子渗氮处理的基础上又进行了激光表面织构处理，在解决了钛合金不耐磨问题的同时，解决了渗氮层在摩擦过程中产生的硬质磨屑参与摩擦造成的摩擦系数高，磨粒磨损严重的问题；将离子渗氮技术和激光表面织构技术结合，应用于TC4钛合金，既解决了钛合金耐磨性差的问题，又解决了渗氮后钛合金的摩擦系数大，磨粒磨损严重的问题。所获得的具有表面减摩耐磨强化层的TC4航天钛合金用于航天器紧固件等耐磨件时具有较高的抗摩擦磨损性能和良好的可靠性和稳定性。

Preparation method of surface friction reducing and wear resistant layer for aerospace titanium alloy TC4

The invention discloses a preparation method for the surface reduction and wear-resisting strengthening layer of the TC4 surface of the space titanium alloy, which belongs to the field of the surface strengthening technology of the space material. The method first makes the ion nitriding of the titanium alloy, forms a layer of nitride on the titanium alloy surface, and also carries out the laser surface fabric on the basis of the ion nitriding. It solves the problem of non wear resistance of titanium alloy, and solves the problem of high friction coefficient and serious abrasive wear caused by the hard wear debris produced in the nitriding layer during the friction process, and applies the ion nitriding technology and laser surface texture technology to TC4 titanium alloy, which not only solves the wear resistance of titanium alloy. Moreover, the problem of high friction coefficient and serious abrasive wear of titanium alloy after nitriding is solved. The TC4 spaceflight titanium alloy with surface antifriction and wear-resistant layer has high friction and wear resistance and good reliability and stability when it is used for wear parts such as fasteners for spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法
本专利技术属于航天材料表面强化
，具体涉及一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法。
技术介绍
航天事业是一个国家综合实力的重要标志，我国航天事业的发展在促进国民经济建设、国防建设和科技发展中发挥了重要的作用。在国防科工委颁布的《国防科技工业中长期科学和技术发展规划纲要》中，将“载人航天”和“探月工程”列为重大专项，继续大力推进航天事业的发展。随着航天科技的不断进步，对航天飞行器的要求也越来越高。航天飞行器在超高温、超低温、高真空、空间辐照等极端条件下工作，对材料的性能提出了巨大的挑战。对航天材料而言，轻质高强、耐高低温是选材的重要标准，而钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀、低导磁率等优良特性而被誉为“宇宙金属”、“空间金属”，在航天装备中得到了日益广泛的应用。紧固件(如螺栓、螺母、铆钉等)是钛合金应用于航天领域的一个重要方面。制造钛合金紧固件最常用材料是α-β型两相合金Ti-6Al-4V，其优点是密度最低，强度和疲劳性能最好，半成品成本低。但是，由于钛合金硬度较低、塑性较高、滑动摩擦系数大、导热系数小，使得钛合金螺栓的螺纹表面具有很强的粘结性，限制了其使用使能和更广泛应用。在大气环境中，钛合金的表面易于形成氧化膜，能起到避免粘着的作用，但是在航天装备服役的空间高真空环境中，氧化膜破坏后无法再生，粘着效应大大增大了钛合金的摩擦系数和磨损率。这使得钛合金螺栓在装卸过程中易与螺母发生粘连、咬死和划伤，影响螺纹精度和紧固性能。钛合金螺栓的光杆部分与连接副之间发生的磨损和划伤会产生表层微观缺陷，易于在外界应力的作用下萌生疲劳裂纹，进而引发螺杆的断裂破坏。可见，钛合金紧固件较差的摩擦学性能使其在空间环境中服役时易发生粘着磨损、划伤和微动损伤，影响了钛合金紧固件的使用性能和服役安全。所以，采用先进的表面工程技术，结合离子渗氮技术和激光表面处理技术提升钛合金紧固件的表面性能，有效避免粘着磨损、划伤和微动磨损等形式的表面失效，并延长其使用寿命，是保障航天装备服役安全的关键技术。离子渗氮技术可以在钛合金表面生成性能优异的TiNx层，且具有渗氮层厚度和组织可控、工艺重复性好、渗氮温度范围宽等优点，十分适合对小体积的钛合金紧固件进行批量表面改性。但是，离子渗氮还是具有处理温度较高、时间较长，在一定程度上存在影响钛合金基体的组织结构和性能的问题。因此单独使用离子渗氮技术提高钛合金的表面耐磨性能不是很理想。激光表面织构技术是利用激光束在材料表面快速加工出特定的规则排列的图案，从而改善材料表面状态的一种方法。激光表面织构技术是一种解决材料表面润滑性能的较为可行的方法。由于表面图案化处理得到的图案能容纳磨屑，而且有利于摩擦区域接触应力的均匀化，避免出现应力集中，因此在干摩擦的条件下也能够发挥积极的作用，改善材料表面的润滑性能。但是由于钛合金表面耐磨性比较差，表面织构在摩擦磨损中很容易被磨掉，所以单独使用激光表面织构技术改善钛合金表面的润滑性能效果也不是很理想。因此在本专利技术中，选用特定的工艺参数，把两种表面强化技术有效结合起来，能够简单有效的提高TC4钛合金的减摩耐磨效果，提高航空器中钛合金TC4的应用范围及其使用寿命和可靠性。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
所述的不足,本专利技术提供了一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法，该制备方法简单易行、成本低廉，所得到的表面减摩耐磨强化层显著地提高了TC4钛合金的减摩耐磨效果及其使用寿命和可靠性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法，所述的方法包括以下步骤：(1)将TC4试片通过砂纸打磨，并用抛光布抛光，之后再用丙酮进行清洗得到试样；(2)将试样放入LDM2–25型脉冲等离子渗氮炉中，开启机械泵，将等离子渗氮炉抽真空，之后通入高纯度NH3清洗真空炉，再次抽至极限真空并检查漏气率；(3)启动等离子渗氮炉，设置合适的电压、温度和流量，通入NH3使压强增大，升高电压，观察等离子渗氮炉内的打弧现象，待打弧消失后，升高电压和导通比，并调整NH3流量使炉内压强缓慢升高，待温度升高到指定温度后，在该温度下保温，之后随炉冷却；(4)取出渗氮后的样品，超声清洗并烘干；(5)把烘干后的样品放置到激光设备的样品台上，设置激光设备的激光器工作电压、电流、激光波长、扫描速度、激光频率、加工功率和加工速度，在软件中绘制激光表面织构的参数并开启激光设备进行织构的制备，得到离子渗氮/表面织构复合处理的样品；(6)将离子渗氮/表面织构复合处理的样品进行超声清洗，烘干，即在TC4钛合金的表面制备出减摩耐磨强化层。优选的，步骤(1)中，所述的TC4试片依次通过SiC砂纸600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#打磨，抛光布抛光至表面粗糙度在1μm以下，并在丙酮中清洗15min。优选的，步骤(2)中，将等离子渗氮炉抽成低于1Pa的真空后通入高纯度NH3清洗真空炉，控制在15min内气压升高不高于5Pa。优选的，步骤(3)中，启动等离子渗氮炉，通入NH3使压强增大至70-90Pa，之后逐渐调高电压，待打弧消失后，逐渐升高电压至750-800V，设置导通比为0.6-0.65，调整NH3流量使炉内压强缓慢升高至500Pa，保温温度为900℃，保温时间为8-12h。采用上述参数进行离子渗氮后，TC4钛合金表面产生一个氮化物层，使钛合金表面的硬度大大增加，和其他参数相比，申请人使用的优化后的工艺参数使氮化物层技能紧密的和基体有较强的结合强度，又能使其表面硬度增加，使钛合金表面的抗摩擦性能得到显著地提升。优选的，步骤(5)中，设置激光设备的工作电压为220V、电流为10A，激光波长为1060nm、扫描速度为800mm/s、激光频率为20kHz、加工功率为10W，加工速度为800mm/s。通过上述参数的加工，可在钛合金表面制备出规则排列且深度适合的点坑型织构，表面织构在摩擦过程中可以有效的捕获磨屑，减小摩擦系数。优选的，步骤(5)中，激光表面织构的参数为：直径为300μm，间距为300μm，形状为圆形。通过上述参数的加工，织构的大小和密度可以高效的捕获磨屑，减小磨粒磨损带来的不利影响。本专利技术的优点是：(1)本专利技术的制备方法简单、环境友好、价格低廉，制备方法可以得到较为广泛的应用；(2)本专利技术中首先对钛合金进行离子渗氮，在钛合金表面形成一层氮化物层，氮化物层相较于其他表面改性层有着渗层和基体结合力强，在摩擦过程中不易脱落，渗层厚度大，在摩擦过程中不易被磨穿的优点。渗层可以显著的提高钛合金表面的显微硬度，提高钛合金的耐磨性。同时，在离子渗氮处理的基础上又进行了激光表面织构处理，在解决了钛合金不耐磨问题的同时，解决了渗氮层在摩擦过程中产生的硬质磨屑参与摩擦造成的摩擦系数高，磨粒磨损严重的问题；(3)本专利技术将离子渗氮技术和激光表面织构技术结合，应用于TC4钛合金，既解决了钛合金耐磨性差的问题，又解决了渗氮后钛合金的摩擦系数大，磨粒磨损严重的问题，使TC4钛合金在航天器中得到更广泛，更可靠的应用。附图说明图1是制备的钛合金表面渗氮层的XRD曲线图；图1下部分(a)为渗氮前钛合金表面的XRD曲线图，图1上部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)将TC4试片通过砂纸打磨，并用抛光布抛光，之后再用丙酮进行清洗得到试样；(2)将试样放入等离子渗氮炉中，开启机械泵，将等离子渗氮炉抽真空，之后通入高纯度NH3清洗真空炉，再次抽至极限真空并检查漏气率；(3)启动等离子渗氮炉，设置合适的电压、温度和流量，通入NH3使压强增大，升高电压，观察等离子渗氮炉内的打弧现象，待打弧消失后，升高电压和导通比，并调整NH3流量使炉内压强缓慢升高，待温度升高到指定温度后，在该温度下保温，之后随炉冷却；(4)取出渗氮后的样品，超声清洗并烘干；(5)把烘干后的样品放置到激光设备的样品台上，设置激光设备的工作电压、电流、激光波长、扫描速度、激光频率、加工功率和加工速度，在软件中绘制激光表面织构的参数并开启激光设备进行织构的制备，得到离子渗氮/表面织构复合处理的样品；(6)将离子渗氮/表面织构复合处理的样品进行超声清洗，烘干，即在TC4钛合金的表面制备出减摩耐磨强化层。

【技术特征摘要】
1.一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)将TC4试片通过砂纸打磨，并用抛光布抛光，之后再用丙酮进行清洗得到试样；(2)将试样放入等离子渗氮炉中，开启机械泵，将等离子渗氮炉抽真空，之后通入高纯度NH3清洗真空炉，再次抽至极限真空并检查漏气率；(3)启动等离子渗氮炉，设置合适的电压、温度和流量，通入NH3使压强增大，升高电压，观察等离子渗氮炉内的打弧现象，待打弧消失后，升高电压和导通比，并调整NH3流量使炉内压强缓慢升高，待温度升高到指定温度后，在该温度下保温，之后随炉冷却；(4)取出渗氮后的样品，超声清洗并烘干；(5)把烘干后的样品放置到激光设备的样品台上，设置激光设备的工作电压、电流、激光波长、扫描速度、激光频率、加工功率和加工速度，在软件中绘制激光表面织构的参数并开启激光设备进行织构的制备，得到离子渗氮/表面织构复合处理的样品；(6)将离子渗氮/表面织构复合处理的样品进行超声清洗，烘干，即在TC4钛合金的表面制备出减摩耐磨强化层。2.如权利要求1所述的一种航天钛合金TC4表面减摩耐磨强化层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的TC4试片依次通过SiC砂纸600#、800#、1000#、1...

【专利技术属性】
技术研发人员：康嘉杰，王明政，岳文，付志强，朱丽娜，王成彪，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11