一种螺旋波等离子体渗氮方法技术

本发明专利技术提供一种螺旋波等离子体渗氮方法，通过螺旋波等离子体喷枪，将高电离率等离子体注入到1～10Pa的低气压、室温氮氩气真空室中，TC4钛合金管与真空室壁构成

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋波等离子体渗氮方法


[0001]本专利技术涉及对金属材料的镀覆
，具体涉及一种螺旋波等离子体渗氮方法。

技术介绍

[0002]TC4钛合金的主要成分是Ti
‑
6Al
‑
4V，属于(α+β)型钛合金。TC4具有较高的抗拉强度，约为1000MPa，其熔点约为1630℃。在一些耐高温烧蚀的环境中应用，具有一定的优势。但是TC4钛合金管面对高温燃烧火焰羽流时，钛合金较容易受到燃烧火焰中H原子的深入，形成氢脆，造成管壁烧蚀损伤。而且TC4钛合金的热导率较低约为8Wm
‑1K
‑1，面对3000K的高温火焰羽流时，其内壁急剧升温，造成严重的热烧蚀。
[0003]另外，目前有常压高温渗氮工艺，在一个大气压，820℃高温下，在密闭容器内对TC4钛合金工件进行渗氮处理。但是这种表面处理的工艺需要进行较长(约20～40小时)的处理时间，导致电功率消耗较大，处理成本较高。这主要是因为密闭空间的静态渗氮工艺，使得一些低能氮分子在TC4钛合金表面被吸附，形成密度较高的氮气吸附层，阻止高能量的氮气分子向钛合金工件表面的渗透，从而需要延长渗氮的处理时间；
[0004]改进的循环常压高温氮气渗氮工艺，是将两个渗氮处理容器管串联起来，并通过高温抽气机使得高温氮气在在两个容器内循环流动，流动的氮气将钛合金表面吸附的较低能量氮气吸附层遭到破坏，因而提高较高能量的氮气分子注入钛合金表面的流量密度，缩短氮化钛和氮化铝钛镀层的形成周期约为10个小时。
[0005]但是常压高温渗氮工艺仍然存在处理时间长、能量消耗大的问题，功耗主要浪费在常压大气向容器壁的热流传递，另外，大气压下，负偏压加速的正离子能量大部分消耗在与大气粒子的碰撞上。这也决定其镀膜的时间较长。
[0006]因此，亟需一种快速高效的渗氮方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为了提高渗氮方法的效率、降低能耗，提供一种螺旋波等离子体渗氮方法，通过螺旋波等离子体喷枪，将高电离率等离子体注入到1～10Pa的低气压、室温氮氩气真空室中，TC4钛合金管与真空室壁构成
‑
50V左右的负偏压，氮气离子N
2+
和N
+
在负偏压加速下，以较大的通量流密度深入到TC4钛合金管内壁30～50um的深度，形成致密性氮化钛(TiN)和氮化铝钛(TiAlN)薄膜，薄膜的硬度约为1200HV，熔点约为2900℃。本专利技术为钛合金工件内壁提供增强的涂层保护，提高使用寿命；氮化钛和氮化铝钛薄膜，不仅具有较高的硬度和较高的熔融温度，而且致密的薄膜涂层阻断高温燃气中氢原子对钛合金的氢脆作用和燃气中氧化剂对TC4的氧化作用，从而大幅提高TC4钛合金导流管耐高温燃气的使用寿命。
[0008]本专利技术提供一种螺旋波等离子体渗氮方法，包括以下步骤：
[0009]S1、工质气体进入螺旋波等离子体羽流放电枪，在背景磁场和电场的作用下得到螺旋波等离子体羽流；
[0010]S2、螺旋波等离子体羽流从等离子体羽流放电枪中喷出后进入真空室中，得到定向流动螺旋波等离子体，待加工工件位于定向流动螺旋波等离子体的前端；
[0011]S3、定向流动螺旋波等离子体通过高电压辉光放电方法渗入待加工部件内部并与待加工部件发生化学反应形成镀层，螺旋波等离子体渗氮完成。
[0012]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S1中，工质气体包括氮气；
[0013]步骤S2中，真空室的压力为1～10Pa，真空室处于室温中，螺旋波等离子体羽流放电枪和待加工工件均设置在真空室中，待加工部件为钛合金部件或镀钛合金的部件；
[0014]步骤S3中，高电压辉光放电方法为使真空室的室壁为零电压、待加工部件为负偏压；
[0015]定向流动螺旋波等离子体中包括电离的N
2+
和N
+
，N
2+
和N
+
在待加工工件表面的等离子体鞘层内碰撞平均自由程大于等离子体鞘层厚度，N
2+
和N
+
在负偏压的作用下加速注入到待加工部件内部30～60um深度形成氮化钛和氮化铝钛薄膜镀层。
[0016]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S3中，钛合金为Ti
‑
6Al
‑
4V；
[0017][0018][0019]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，螺旋波等离子体羽流的电子密度为10
19
～10
20
m
‑3、电子温度20～50eV、气体温度为1～20eV。
[0020]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，螺旋波等离子体羽流放电枪包括中空的绝缘层和依次设置在绝缘层外部的屏蔽层、直流电磁线圈，绝缘层一端为工质气体入口、另一端为螺旋波等离子体羽流出口；
[0021]直流电磁线圈形成背景磁场，电子在被约束在背景磁场中。
[0022]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S1中，电子在背景磁场中的回旋半径为：
[0023][0024]其中，m
e
为电子的质量，v
⊥
e
为电子热速度的垂直磁场分量，e为电子的电荷，B为背景磁场；
[0025]绝缘层为石英玻璃管。
[0026]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S2中，真空室中设置真空机组，真空机组抽气使真空室中维持1～10Pa的压力，螺旋波等离子体羽流从等离子体羽流放电枪中喷出后得到定向流动螺旋波等离子体。
[0027]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S1中，工质气体还包括氩气，氩离子不被背景磁场约束而且在绝缘层的内壁产生二次电子以活化螺旋波等离子体羽流。
[0028]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S3中，定向流动
螺旋波等离子体中氩离子首先消除待加工工件表面的气体吸附层，从而减小气体吸附层对注入离子的能量消耗，再撞击待加工工件表面形成钛合金晶格畸变。
[0029]本专利技术所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，作为优选方式，步骤S3中，真空室中背景气体温度接近室温。
[0030]本专利技术的待加工工件可以是TC4钛合金管，也可以是其他形状的钛合金工件或镀钛合金的金属件。
[0031]本专利技术采用螺旋波等离子体渗氮技术，在TC4钛合金管内壁形成50um左右厚度的氮化钛和氮化铝钛薄膜。薄膜的硬度约为1200HV，熔点约为2900℃。为TC4钛合金导流管内壁提供增强的涂层保护，提高TC4钛合金的使用寿命。氮化钛和氮化铝钛薄膜，不仅具有较高的硬度和较高的熔融温度，而且致密的薄膜涂层阻断高温燃气中氢原子对钛合金的氢脆作用和燃气中氧化剂对TC4的氧化作用。从而大幅提高TC4钛合金导流管耐高温燃气的使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺旋波等离子体渗氮方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、工质气体进入螺旋波等离子体羽流放电枪(1)，在背景磁场和电场的作用下得到螺旋波等离子体羽流；S2、所述螺旋波等离子体羽流从所述等离子体羽流放电枪(1)中喷出后进入真空室中，得到定向流动螺旋波等离子体，待加工工件位于所述定向流动螺旋波等离子体的前端；S3、所述定向流动螺旋波等离子体通过高电压辉光放电方法渗入所述待加工部件内部并与所述待加工部件发生化学反应形成镀层，螺旋波等离子体渗氮完成。2.根据权利要求1所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，其特征在于：步骤S1中，所述工质气体包括氮气；步骤S2中，所述真空室的压力为1～10Pa，所述真空室处于室温中，所述螺旋波等离子体羽流放电枪(1)和所述待加工工件均设置在所述真空室中，所述待加工部件为钛合金部件或镀钛合金的部件；步骤S3中，所述高电压辉光放电方法为使所述真空室的室壁为零电压、所述待加工部件为负偏压；所述定向流动螺旋波等离子体中包括电离的N
2+
和N
+
，N
2+
和N
+
在所述待加工工件表面的等离子体鞘层内碰撞平均自由程大于等离子体鞘层厚度，N
2+
和N
+
在负偏压的作用下加速注入到所述待加工部件内部30～60um深度形成氮化钛和氮化铝钛薄膜镀层。3.根据权利要求2所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，其特征在于：步骤S3中，钛合金为Ti
‑
6Al
‑
4V；4V；4.根据权利要求1所述的一种螺旋波等离子体渗氮方法，其特征在于：所述螺旋波等离子体羽流的电子密度为10
19
～10

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，刘群礼，郝金红，任彦林，施哲炜，
申请(专利权)人：北京佳锐恒盛新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：