本发明是一种提高钛合金表面硬化层质量的热处理方法，属于表面处理
技术领域：
。
背景技术：
：钛合金具有密度低，比强度高，弹性模量低，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好等诸多优点，在航空、航天等领域得到广泛应用。钛合金按照强度分为低强、中强和高强三类，即使是高强钛合金其表面的耐磨性能也比较差，这一缺点限制了钛合金的应用范围。提高钛合金的耐磨性，除表面形变强化之外，还有表面覆层和扩散热处理两类方法。表面覆层具有一定的优点，沉积材料灵活，功能多样化，但界面的结合力问题始终难以解决。热扩散的各种化学热处理获得广泛运用，目前，国内外学者大多采用真空 渗透元素的热处理方式来增强钛合金表面的耐磨性能，此方法花费的成本较高且不易实现。现有的真空热处理工艺的缺点是操作条件复杂，不易实现，成本较高，生成的渗氧层厚度较小，硬化层的质量不强。在钛或钛合金表面镀一层新的硬化膜，新生成的硬化膜与钛或钛合金基体存在界面，结合力不强，容易脱落。技术实现要素：本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种提高钛合金表面硬化层质量的热处理方法，其目的是通过控制加热过程渗氧速度和渗氧深度来提高钛合金表面硬化层的质量，扩大其应用范围，建立一种操作简便、经济实用的且能够提高钛合金表面强度的热处理方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明所述提高钛合金表面硬化层的热处理方法是在钛合金锻件表面喷涂玻璃涂料，该玻璃涂料是玻璃粉和粘结剂的混合物，将钛合金锻件进行预热并保温，预热温度为200℃～300℃，保温时间为30～60min，将预热后的钛合金锻件表面喷涂玻璃涂料，喷涂完成后晾干，控制玻璃涂料的涂层厚度在1～2mm之间，在室温大气环境下对带有涂层的钛合金锻件进行热处理并保温，热处理温度为850℃，保温时间为24～32h，保温结束后随炉冷却至室温。在实施中，钛合金锻件在喷涂玻璃涂料之前，将钛合金锻件表面的油污或氧化皮去除干净，露出钛合金基体层。在一种实施中，所述玻璃涂料使用的玻璃粉牌号为ti-7，使用的粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量比为1∶1。在实施中，所述热处理炉为电阻炉，其有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃。在一种实施中，该提高钛合金表面硬化层的热处理方法的步骤如下：步骤一、将钛合金锻件表面的油污或氧化皮去除干净，露出钛合金基体层，锻件表面光滑平整即可，不做光洁度要求；步骤二、将玻璃粉和粘结剂进行混合，玻璃粉牌号为ti-7，粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量混合比例为1∶1，混合后搅拌均匀，制得玻璃涂料；步骤三、将步骤一处理好的钛合金锻件放入电阻炉有效区内进行预热，预热温度为200℃～300℃，电阻炉达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为30～60min；步骤四、将步骤三预热好的钛合金锻件取出，用压缩空气将步骤二配制好的玻璃涂料均匀喷涂在钛合金锻件表面，涂层厚度控制在1～2mm，喷涂完成后晾干；步骤五、将步骤四处理好的钛合金锻件放在已达到设定加热温度t的电阻炉有效区内进行加热，设定的加热温度为850℃，电阻炉达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为24～32h；步骤六、将步骤五保温后的钛合金锻件炉冷至室温。以下对本发明技术方案的特点及有益的技术效果作详细说明：一、现有的强化工艺主要有两种形式，第一种是在钛或钛合金基体上生成渗氧层，该工艺基本都用到了真空热处理，真空热处理不仅生产效率低，而且使用成本较高。第二种形式是在钛或钛合金表面通过化学方式镀一层硬化层，该硬化层与钛或钛合金基体存在明显的界面，界面之间结合力不强。本发明技术方案是针对上述第一种工艺进行的改进，具有强化工艺简单、操作方便的优点，其特点是在大气环境下进行热处理就能够生成高质量的硬化层，为了实现上述操作，本发明技术方案首先在钛或钛合金表面涂覆一层玻璃涂层，控制厚度在1-2mm之间，因为涂层厚度不宜过厚，涂层过厚容易引起涂层开裂而脱落。玻璃涂层采用玻璃涂料喷涂而成，而玻璃涂料是由玻璃粉和粘结剂混合而成，在实施中，所述玻璃涂料使用的玻璃粉牌号为ti-7，使用的粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量比为1∶1。钛或钛合金表面涂覆好涂层后在大气环境就可以装进加热炉中，不需要真空的热处理环境，加热炉温度达到850℃时，玻璃涂层会发生软化，变成粘度较大的玻璃膜包裹在钛或钛合金锻件表面，在钛或钛合金材料表面生成软化的玻璃膜，该玻璃膜为多孔的软化膜，能够抑制大气中氧的渗氧速度，但不能阻止氧的渗入，本发明方案就是利用这一多孔软化膜的这种抑制渗氧速度的特性，来控制氧在钛或钛合金中的渗氧速度，避免在钛或钛合金锻件表面氧化过快生成氧化层，同时给渗入钛或钛合金基体中的氧原子留下足够的扩散时间，其结果是不仅增加渗氧深度，生成更厚的硬化层，而且能够防止钛或钛合金表面生成氧化层，最终提高了钛或钛合金材料表面硬化层的质量。二、本发明技术方案中提出的将钛或钛合金表面的玻璃涂层厚度控制在1-2mm之间，是因为涂层过厚容易开裂，而且涂层越厚，生成的玻璃膜越厚，表面的孔隙率也会越低，影响表面的渗氧速度，达不到需要表面渗氧层的效果，所以厚度在1-2mm之间的最佳的效果选择；对850℃及保温24～32h的选择作出其有益效果的说明ti-7和nj-1配制的玻璃涂层在850℃加热时软化形成的流体粘度效果最佳，能很好的包裹在钛合金锻件表面，起到很好的防护效果。保温时间如果小于24h，氧的渗透时间不够充足，在钛合金表面生成的渗氧层深度不够，形不成高质量的表面硬化层，保温时间如果大于32小时，氧的渗透时间过长，钛合金表面会形成氧化层，减弱硬化层的效果，所以加热到850℃及保温24～32h是最佳的工艺参数。三、本发明技术方案另一个优点是操作简单，容易实施，在大气环境下就能够生成高质量的表面硬化层，相比现有的工艺方案中在钛或钛合金基体上生成渗氧层都需要真空热处理来实现，其工艺难度和成本大大降低，因为现有的真空热处理工艺不仅操作条件复杂，而且不易实现，成本较高，生成的渗氧层厚度较小，硬化层的质量不强。在钛或钛合金表面镀一层新的硬化膜，新生成的硬化膜与钛或钛合金基体存在界面，结合力不强，容易脱落。通过以上分析可以看出，本发明技术方案与现有的表面强化工艺不同，其工艺特点在于在锻件表面涂覆一层玻璃涂层后只需进行简单的热处理，就能够在锻件表面形成一层结合力良好、具有氧浓度梯度的硬化层，该硬化层属于锻件基体，不会生成界面。附图说明图1为本发明实施例中tb6钛合金锻件表面形成的硬化层的混合组织金相具体实施方式以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：本实施例以tb6钛合金为例，采用本发明方法在其基体上制备钛合金表面硬化层的热处理方法的步骤如下：(1)、将钛合金锻件表面的油污或氧化皮去除干净，露出钛合金基体层，锻件表面光滑平整即可，不做光洁度要求；(2)、制备涂层的玻璃涂料由玻璃粉和粘结剂混合而成，所用玻璃粉牌号为ti-7，所用粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量混合比例为1∶1，按比例混合后搅拌均匀；(3)、将步骤(1)处理好的钛合金锻件放入电阻炉有效区内进行预热，预热温度t为200℃≤t≤300℃，电阻炉再次达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为30～60min；(4)、将步骤(3)预热好的钛合金锻件取出，用压缩空气将步骤(2)混合好的涂料均匀的喷涂在锻件表面，涂层厚度控制在1～2mm，喷涂完成后涂层晾干；(5)、将步骤(4)处理好的钛合金锻件放在已达到设定加热温度t的电阻炉有效区内进行加热，设定的加热温度t为850℃，电阻炉再次达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为24～32h；(6)、将步骤(5)保温后的钛合金锻件炉冷；所述电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃实施例在tb6钛合金锻件采用上述本发明方法在其表面形成了具有浓度梯度的硬化层，最外面一层为密集的等轴α相，越往内部方向α相越稀疏，而且形状变成柱状，是一种多尺度相的混合组织，如图1所示。表面硬度提高约130％，见表1。表1tb6钛合金基体和硬化层的显微硬度位置hv基体321硬化层747当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：该方法是在钛合金锻件表面喷涂玻璃涂料，该玻璃涂料是玻璃粉和粘结剂的混合物，将钛合金锻件进行预热并保温，预热温度为200℃～300℃，保温时间为30～60min，将预热后的钛合金锻件表面喷涂玻璃涂料，喷涂完成后晾干，控制玻璃涂料的涂层厚度在1～2mm之间，在室温大气环境下对带有涂层的钛合金锻件进行热处理并保温，热处理温度为850℃，保温时间为24～32h，保温结束后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：钛合金锻件在喷涂玻璃涂料之前，将钛合金锻件表面的油污或氧化皮去除干净，露出钛合金基体层。
3.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：所述玻璃涂料使用的玻璃粉牌号为ti-7。
4.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：所述玻璃涂料使用的粘结剂的牌号为nj-1。
5.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：所述玻璃涂料中的玻璃粉和粘结剂的质量比为1∶1。
6.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：所述玻璃涂料使用的玻璃粉牌号为ti-7，使用的粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量比为1∶1。
7.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：所述热处理炉为电阻炉，其有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃。
8.根据权利要求1所述的提高钛合金表面硬化层的热处理方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将钛合金锻件表面的油污或氧化皮去除干净，露出钛合金基体层，锻件表面光滑平整即可，不做光洁度要求；
步骤二、将玻璃粉和粘结剂进行混合，玻璃粉牌号为ti-7，粘结剂的牌号为nj-1，玻璃粉和粘结剂的质量混合比例为1∶1，混合后搅拌均匀，制得玻璃涂料；
步骤三、将步骤一处理好的钛合金锻件放入电阻炉有效区内进行预热，预热温度为200℃～300℃，电阻炉达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为30～60min；
步骤四、将步骤三预热好的钛合金锻件取出，用压缩空气将步骤二配制好的玻璃涂料均匀喷涂在钛合金锻件表面，涂层厚度控制在1～2mm，喷涂完成后晾干；
步骤五、将步骤四处理好的钛合金锻件放在已达到设定加热温度t的电阻炉有效区内进行加热，设定的加热温度为850℃，电阻炉达到设定的加热温度后，开始计算保温时间，保温时间范围为24～32h；
步骤六、将步骤五保温后的钛合金锻件炉冷至室温。
技术总结本发明是一种提高钛合金表面硬化层质量的热处理方法，该方法首先将钛合金锻件表面的油污和氧化皮清理干净，然后在锻件表面均匀的包覆一层涂层，晾干后在电阻炉中进行加热，保温一定时间后炉冷。通过控制加热过程渗氧速度和渗氧深度来获得高质量的表面硬化层。结果表明，钛合金经热处理渗氧后，表面的显微硬度提升约130％，增强了硬化层的耐磨性，表面硬度和耐磨性的提升能够扩大其应用范围。
技术研发人员：李雪飞;佟健博;黄利军;颜孟奇;张明杰
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2021.04.29
技术公布日：2021.08.03
