權利要求

1.一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：該處理方法所使用的設備為雙層輝光離子滲金屬熱處理爐，熱處理爐包括爐底盤和罩形爐體，熱處理爐上連接有開合裝置、電源系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)、輝光裝置以及冷卻系統(tǒng);

處理方法包括如下步驟：

S1 將鑄態(tài)TC4棒材加工為TC4圓管;

S2 設備安裝：通過熱處理爐上設置的開合裝置將爐體打開，然后將帶孔長管均勻吊裝在爐內的源極平臺上;

S3 樣品表面清洗及刷涂料：先后用丙酮和酒精擦拭TC4圓管樣品內壁并吹干，然后對TC4圓管樣品外壁進行清洗、涂抹防滲涂料;

S4 抽真空：將上述處理后的TC4圓管樣品放入熱處理爐中;打開電源，并啟動氣氛系統(tǒng)，使真空泵對爐內進行抽真空直至真空壓強<1Pa，打開水冷開關;

S5 升溫：設定電壓為750V，爐內TC4圓管樣品逐漸升溫，等待加熱至50℃時，氣氛系統(tǒng)的氣體開關自動打開，通氬氣，當溫度上升至60℃時，設定氣壓為200Pa;等待至爐內氣壓無法上升且樣品溫度上升緩慢時，同時通氬氣和氮氣，使得爐內N2：Ar=3:1;隨后調整控制輸出旋鈕以改變升溫速率，調整溫度直至樣品溫度為900℃±15℃;

S6 雙輝離子滲氮：①穩(wěn)定運行時設備參數(shù)：輝光系統(tǒng)的源極電壓750V，壓強200Pa，N2：Ar=3:1;源極控制輸出為27.6%、電流30A;陰極控制輸出為50.7%、電流24A;②雙輝離子滲氮運行時間：TC4圓管樣品表面升至900℃時，開始計時8小時;

S7 冷卻：①運行至所需時間后，源極、陰極兩邊電壓歸0，氣體流量歸0，控制輸出旋鈕調至最小;②等氣壓抽至100Pa時，關閉真空泵，保持冷卻水流通，直至樣品隨爐冷卻至室溫。

2.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：所述TC4圓管，化學元素質量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，F(xiàn)e：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余為雜質。

3.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：冷卻完成后，進行取樣、清洗和檢測步驟，具體如下：

S8 取樣：降溫完成后，打開破真空閥，使爐內氣壓與大氣壓強一致，關閉冷卻水，打開爐體，取出樣品;

S9 清洗：取出TC4圓管樣品，使用清水清洗、擦掉表面專用防滲涂料;

S10 檢測、分析、表征：對TC4圓管樣品內壁形貌、色澤、金相組織結構、力學性能進行檢測以及分析、表征;采用金相顯微鏡進行金相組織分析;采用維氏硬度計進行硬度分析。

4.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：將鑄態(tài)TC4棒材經車、鏜和鋸的加工方式，加工為外直徑60mm、內直徑30mm、長1100mm的TC4圓管。

5.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：步驟S2設備安裝中，準備提前定制的圓管套筒，將圓管套筒放在爐內的陰極平臺上。

6.如權利要求5所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：步驟S4中，將處理后的TC4圓管樣品放入熱處理爐中的圓管套筒中，使用樣品固定環(huán)與圓管套筒配合，以固定TC4圓管樣品。

7.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：所述電源系統(tǒng)包括50A電源和75A電源，與電源配套的50A穩(wěn)壓器、75A穩(wěn)壓器分別通過電線連接在熱處理爐內。

8.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：氣氛系統(tǒng)包括真空泵、高純氬氣瓶和高純氮氣瓶，真空泵上設有真空泵出氣口，真空泵與熱處理爐之間設有真空泵連接管，真空泵連接管上設有破真空旋鈕，爐體通過通氣軟管與不同氣瓶連通。

9.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：所述輝光裝置包括位于爐內的源極平臺和陰極平臺，源極平臺與50A電源電線連接;陰極平臺與75A電源電線連接。

10.如權利要求1所述的一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，其特征在于：熱處理爐上設有連通至爐內的觀察孔、冷卻水入口和冷卻水出水管;

熱處理爐上還設有測溫儀，用于測量爐內樣品的實時表面溫度。

說明書

技術領域

[0001]本發(fā)明涉及金屬材料及其加工技術領域，特別涉及一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法。

背景技術

[0002]鈦及鈦合金因其優(yōu)異的強度重量比和良好的耐腐蝕性，在航空、航天、軍工等領域得到了廣泛應用。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，不同領域下的重要部件對鈦合金耐磨性和使用壽命提出了更高的要求。

[0003]傳統(tǒng)的表面處理技術，如熱噴涂、磁控濺射及激光熔覆等，盡管能在一定程度上改善鈦合金的表面性能，但普遍存在著涂層穩(wěn)定性不足、易脫落或開裂、以及處理成本高昂等問題，難以滿足當前工業(yè)界對高質量、長壽命耐磨涂層的迫切需求。

發(fā)明內容

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，對TC4圓管內壁表面進行等離子滲氮處理形成滲氮耐磨涂層，以提高TC4鈦合金軸筒類零件的耐磨性。

[0005]為達成上述目的，本發(fā)明的解決方案為：一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，該處理方法所使用的設備為雙層輝光離子滲金屬熱處理爐，熱處理爐包括爐底盤和罩形爐體，熱處理爐上連接有開合裝置、電源系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)、輝光裝置以及冷卻系統(tǒng);

處理方法包括如下步驟：

S1 將鑄態(tài)TC4棒材加工為TC4圓管;

S2 設備安裝：通過熱處理爐上設置的開合裝置將爐體打開，然后將帶孔長管均勻吊裝在爐內的源極平臺上;

S3 樣品表面清洗及刷涂料：先后用丙酮和酒精擦拭TC4圓管樣品內壁并吹干，然后對TC4圓管樣品外壁進行清洗、涂抹防滲涂料;

S4 抽真空：將上述處理后的TC4圓管樣品放入熱處理爐中;打開電源，并啟動氣氛系統(tǒng)，使真空泵對爐內進行抽真空直至真空壓強<1Pa，打開水冷開關;

S5 升溫：設定電壓為750V，爐內TC4圓管樣品逐漸升溫，等待加熱至50℃時，氣氛系統(tǒng)的氣體開關自動打開，通氬氣，當溫度上升至60℃時，設定氣壓為200Pa;等待至爐內氣壓無法上升且樣品溫度上升較慢時，同時通氬氣和氮氣，使得爐內N2：Ar=3:1;隨后調整控制輸出旋鈕以改變升溫速率，調整溫度直至樣品溫度為900℃±15℃;

S6 雙輝離子滲氮：①穩(wěn)定運行時設備參數(shù)：輝光系統(tǒng)的源極電壓750V，壓強200Pa，N2：Ar=3:1;源極控制輸出為27.6%、電流30A;陰極控制輸出為50.7%、電流24A;②雙輝離子滲氮運行時間：TC4圓管樣品表面升至900℃時，開始計時8小時;

S7 冷卻：①運行至所需時間后，源極、陰極兩邊電壓歸0，氣體流量歸0，控制輸出旋鈕調至最小;②等氣壓抽至100Pa時，關閉真空泵，保持冷卻水流通，直至樣品隨爐冷卻至室溫。

[0006]進一步，所述TC4圓管，化學元素質量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，F(xiàn)e：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余為雜質。

[0007]進一步，冷卻完成后，進行取樣、清洗和檢測步驟，具體如下：

S8 取樣：降溫完成后，打開破真空閥，使爐內氣壓與大氣壓強一致，關閉冷卻水，打開爐體，取出樣品;

S9 清洗：取出TC4圓管樣品，使用清水清洗、擦掉表面專用防滲涂料;

S10 檢測、分析、表征：對TC4圓管樣品內壁形貌、色澤、金相組織結構、力學性能進行檢測以及分析、表征;采用金相顯微鏡進行金相組織分析;采用維氏硬度計進行硬度分析。

[0008]進一步，將鑄態(tài)TC4棒材經車、鏜和鋸的加工方式，加工為外直徑60mm、內直徑30mm、長1100mm的TC4圓管。

[0009]進一步，步驟S2設備安裝中，準備提前定制的圓管套筒，將圓管套筒放在爐內的陰極平臺上。

[0010]進一步，步驟S4中，將處理后的TC4圓管樣品放入熱處理爐中的圓管套筒中，使用樣品固定環(huán)與圓管套筒配合，以固定TC4圓管樣品。

[0011]進一步，所述電源系統(tǒng)包括50A電源和75A電源，與電源配套的50A穩(wěn)壓器、75A穩(wěn)壓器分別通過電線連接在熱處理爐內。

[0012]進一步，氣氛系統(tǒng)包括真空泵、高純氬氣瓶和高純氮氣瓶，真空泵上設有真空泵出氣口，真空泵與熱處理爐之間設有真空泵連接管，真空泵連接管上設有破真空旋鈕，爐體通過通氣軟管與不同氣瓶連通。

[0013]進一步，所述輝光裝置包括位于爐內的源極平臺和陰極平臺，源極平臺與50A電源電線連接;陰極平臺與75A電源電線連接。

[0014]進一步，熱處理爐上設有連通至爐內的觀察孔、冷卻水入口和冷卻水出水管;

熱處理爐上還設有測溫儀，用于測量爐內樣品的實時表面溫度。

[0015]采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明對鈦合金圓管內壁表面進行雙輝等離子滲氮處理，制得內壁帶有滲氮層的TC4圓管，顯著提高了TC4鈦合金圓管內壁的硬度及耐磨性，延長了零件的使用壽命，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高耐磨性部件的迫切需求。

[0016]經清洗、烘干、抽真空、雙輝等離子滲氮、隨爐冷卻，并且通過精確控制升溫速率、氣體比例及滲氮時間等參數(shù)，實現(xiàn)了對滲氮層厚度和性能的精確調控，確保了處理效果的穩(wěn)定性和可重復性。所制得的TC4圓管樣品經檢測，其內壁的滲氮層金相組織與基體結合緊密，脫落風險小且層厚較厚可達17±1μm，平均硬度高達713.04HV，可達基體硬度的2.2倍。

[0017]此外，在滲碳處理前，通過對樣品表面進行清洗，確保了TC4圓管內壁的清潔度，有效防止了滲氮過程中的雜質污染，提高了滲氮層的質量，并且對樣品外壁進行刷防滲涂料處理，以保護非滲氮區(qū)域。

附圖說明

[0018]圖1是本發(fā)明雙輝等離子滲氮處理使用的設備結構圖;

圖2是本發(fā)明制得的TC4圓管樣品內壁的金相顯微組織形貌圖;

圖3是本發(fā)明制得的TC4圓管樣品內壁的硬度性能圖。

[0019]附圖標記說明：

1、高純氬氣瓶;2、高純氮氣瓶;3、控制輸出顯示屏;4、氣體壓力控制顯示屏;5、溫度控制顯示屏;6、氮氣流量顯示屏;7、氬氣流量顯示屏;8、電流指示表;9、電壓指示表;10、啟動控制屏;11、50A電源;12、50A穩(wěn)壓器;13、通氣軟管;

14、電線;15、真空泵連接管;16、真空泵;17、75A穩(wěn)壓器;18、75A電源;19、控制輸出旋鈕;20、電流顯示屏;21、電壓微調旋鈕;22、氮氣氣流控制旋鈕;23、電壓控制旋鈕;24、電壓指示燈;25、氬氣氣流控制旋鈕;26、真空泵出氣口;27、冷卻水入口;28、測溫熱電偶;29、爐體;30、帶孔長管;31、圓管套筒;32、TC4圓管樣品;33、源極平臺;34、絲杠螺母;35、絲杠;36、陰極平臺;37、樣品固定環(huán);38、觀察孔;39、冷卻水出水管;40、液壓升降系統(tǒng);41、測溫儀;42、紅外線;43、破真空旋鈕。

具體實施方式

[0020]以下結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做詳細的說明。

[0021]本實施例提供一種鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法，處理的對象為TC4鈦合金，化學元素質量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，F(xiàn)e：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余為雜質。

[0022]該處理方法所使用的設備為雙層輝光離子滲金屬熱處理爐，如圖1所示，熱處理爐包括爐底盤和罩形爐體29，爐體29上設有連通至爐內的觀察孔38、冷卻水入口27和冷卻水出水管39，其冷卻水從自來水管流入經過爐壁降溫后排出，形成冷卻系統(tǒng)。熱處理爐上還連接有開合裝置、電源系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)以及輝光裝置。

[0023]開合裝置包括液壓升降系統(tǒng)40和絲杠傳動機構，液壓升降系統(tǒng)40提供動力支持，而絲杠35與絲杠螺母34則通過精密配合，實現(xiàn)爐體29的打開和關閉。

[0024]電源系統(tǒng)包括50A電源11和75A電源18，與電源配套的50A穩(wěn)壓器12、75A穩(wěn)壓器17分別通過電線14連接在熱處理爐內。這里，電源系統(tǒng)上設有控制輸出顯示屏3、氣體壓力控制顯示屏4、溫度控制顯示屏5、氮氣流量顯示屏6、氬氣流量顯示屏7、電流指示表8、電壓指示表9、啟動控制屏10、控制輸出旋鈕19、電流顯示屏20、電壓微調旋鈕21、氮氣氣流控制旋鈕22、電壓控制旋鈕23、電壓指示燈24和氬氣氣流控制旋鈕25。

[0025]氣氛系統(tǒng)包括真空泵16、高純氬氣瓶1和高純氮氣瓶2，真空泵16上設有真空泵出氣口26，真空泵16與熱處理爐之間設有真空泵連接管15，真空泵連接管15上設有破真空旋鈕43，爐體29通過通氣軟管13與不同氣瓶連通。

[0026]所述輝光裝置包括位于爐內的源極平臺33和陰極平臺36，源極平臺33與50A電源11電線14連接;陰極平臺36與75A電源18電線14連接。12根純鈦帶孔長管30通過螺母均勻分布連接到源極平臺33上，用于安裝TC4圓管的圓管套筒31放在陰極平臺36上，位于爐體29正中處。

[0027]熱處理爐上還設有測溫儀41，通常為專用測溫槍，測溫槍通過發(fā)射紅外線42，測量爐內樣品的實時表面溫度。圓管樣品的最終溫度以測溫槍測得的溫度為準?？赏ㄟ^調節(jié)溫度控制顯示屏5上下按鍵調節(jié)內壁溫度，而溫度控制顯示屏5的溫度為測溫熱電偶28所測的溫度。

[0028]本方法采用的上述設備結構設計合理，操作簡便，能夠在保證處理效果的同時，有效控制成本。

[0029]鈦合金圓管內壁表面雙輝等離子滲氮的處理方法包括如下步驟：

S1 將鑄態(tài)TC4棒材經車、鏜和鋸的加工方式，加工為外直徑60mm、內直徑30mm、長1100mm的TC4圓管;

S2 設備安裝：將影響爐體29打開的水管、氣管、電線14擰開，大絲杠換為專用的小絲杠，打開爐體29，然后將帶孔長管30均勻吊裝在爐內的源極平臺33上，將圓管套筒31放在爐內的陰極平臺36上;

S3 樣品表面清洗及刷涂料：

①將棉花沾入丙酮，使用撬棒反復推動棉花均勻擦拭TC4圓管樣品32內壁，使用吹風機吹干;

②取另一塊棉花沾入酒精，使用撬棒反復推動棉花均勻擦拭TC4圓管樣品32內壁，從而達到去除油污的目的，隨后吹干;

③同樣將TC4圓管樣品32外壁清洗并吹干，隨后將外壁用刷子均勻涂抹離子滲氮專用防滲涂料，等待半小時使涂料風干貼近金屬樣品;

S4 抽真空：

①打開爐體29，將上述處理好的TC4圓管樣品32放入熱處理爐中的圓管套筒31中，放入樣品固定環(huán)37，以固定圓管，關閉爐體29，同時將小絲杠換回大絲杠，連接好水管、氣管、電線14等連接裝置;

②打開電源，啟動氣氛系統(tǒng)，使真空泵16運行起來，打開蝶閥使真空泵16對爐內進行抽真空直至真空壓強<1Pa，打開水冷開關;

S5 升溫：

①將電壓調至750V，爐內TC4圓管樣品32開始升溫，等待加熱至50℃時，氣氛系統(tǒng)的氣體開關自動打開;

②旋轉氬氣旋鈕至100，溫度升高至60℃時，真空泵16穩(wěn)定運行，氣壓穩(wěn)定上升，設定氣壓為200Pa，同時調整專用測溫儀41測量內部TC4圓管樣品32的實時表面溫度;

③等待約20分鐘至氣壓無法上升且溫度上升較慢時，旋轉氬氣旋鈕至200且氮氣旋鈕旋至0.6使得N2：Ar=3:1;

④隨后通過旋轉控制輸出旋鈕19，逐漸增大占空比改變升溫速率，通過調整溫度表改變溫度，直至專用測溫儀41測得的溫度為900℃±15℃;

S6 雙輝離子滲氮：

①穩(wěn)定運行時設備參數(shù)：輝光系統(tǒng)的源極電壓750V，壓強200Pa，N2：Ar=3:1;源極控制輸出為27.6%、電流30A;陰極控制輸出為50.7%、電流24A;

②雙輝離子滲氮運行時間：第一次樣品表面升至900℃時，開始計時8小時;

S7 冷卻：

①運行至所需時間后，源極、陰極兩邊電壓歸0，氣體流量歸0，控制輸出旋鈕19調至最小;②等氣壓抽至100Pa時，關閉真空泵16，保持冷卻水流通，直至樣品隨爐冷卻至室溫。

[0030]S8 取樣：

降溫完成后，打開破真空閥，使爐內氣壓與大氣壓強一致，關閉冷卻水，斷開水管、氣管、電線14等影響爐體29打開的連接裝置，打開爐體29，取出樣品;

S9 清洗：

取出TC4圓管樣品32，使用清水清洗、擦掉表面專用防滲涂料;

S10 檢測、分析、表征：

對TC4圓管樣品32內壁形貌、色澤、金相組織結構、力學性能進行檢測以及分析、表征;采用金相顯微鏡進行金相組織分析;采用維氏硬度計進行硬度分析。

[0031]本發(fā)明所制得的TC4圓管樣品經檢測結果如下：

圖2為本發(fā)明制得的TC4圓管樣品32內壁的金相顯微組織形貌圖，由圖2可以看出，本發(fā)明制得的TC4圓管樣品32內壁金相組織基體無變化，內壁具有滲氮層，滲氮層金相組織與基體結合緊密，脫落風險小且層厚較厚可達17±1μm。

[0032]圖3為本發(fā)明制得的TC4圓管樣品32內壁的硬度性能圖，如圖所示，本發(fā)明制得的TC4圓管樣品32內壁的平均硬度高達713.04HV，是基體硬度的2.2倍。

[0033]為進一步說明各實施例，本發(fā)明提供有附圖。這些附圖為本發(fā)明揭露內容的一部分，其主要用以說明實施例，并可配合說明書的相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域普通技術人員應能理解其他可能的實施方式以及本發(fā)明的優(yōu)點。圖中的組件并未按比例繪制，而類似的組件符號通常用來表示類似的組件。

[0034]同時，本實施例中所涉及的前、后、左、右等方位，只是作為一個方位的參考，并不代表實際運用中的方位。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

[0035]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非對本案設計的限制，凡依本案的設計關鍵所做的等同變化，均落入本案的保護范圍。

說明書附圖(3)