CN105734487A - 一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，属于金属材料表面改性技术领域。首先，把钛合金齿轮和钼靶置于等离子表面合金化炉中，将炉腔抽至真空后，通入氩气对齿轮进行预溅射处理，清除其表面的污渍及钝化层；然后，依次对源极和工件极施加偏压，使相应的钼靶和齿轮升温；在电场作用下，氩离子轰击源极溅射出的钼离子，原子和粒子团在钛合金齿轮表面沉积、扩散，形成强韧性钼梯度改性层。本发明操作简单，成本低，所制备的梯度改性层厚度较大，硬度高、耐磨损，从而可以提高钛合金齿轮表面的承载能力并延长其使用寿命。

Description

一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
随着汽车以及航空工业的发展，要求齿轮能够在高接触应力下飞速运转，这就需要在改善齿轮性能的同时要降低其自身的质量。为了达到上述目的，以钛合金齿轮代替传统的合金钢齿轮是一种有效的手段。这是因为，在所有金属中，钛及钛合金具有最高的比强度。此外，钛及钛合金还具有耐蚀和耐高温性能。然而，钛及钛合金硬度低、耐磨性差，表面力学性能明显不及常用铁基金属结构材料，限制了其应用范围，影响了其结构的安全性和可靠性。因此，需要对其表面进行改性处理。
目前钛及钛合金表面常采用的一些改性方法，如热氧化、微弧氧化、阳极氧化和化学镀等，可以在其表面形成具有抗磨损能力的改性层。然而上述方法得到的改性层不但厚度较薄（≤10μm），而且和基体之间存在界面，加之改性层和基体性能上存在较大的差异，界面处变形不协调，在较高接触应力下极易开裂。因此，根据钛合金齿轮的服役要求，需要对钛合金齿轮表面进行新的改性研究。
发明内容
本发明旨在提供一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，通过该方法制备的钼梯度改性层厚度尺寸大、硬度高、耐磨性好、承载能力强。
本发明提供的一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，采用等离子表面合金化方法，以钼靶作为源极，钛合金齿轮作为工件极，经过沉积和扩散，在钛合金齿轮表面形成具有强韧性的钼梯度改性层。
上述钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，具体包括以下步骤：
（1）钛合金齿轮表面预溅射处理：将经过汽油清洗的钛合金齿轮放入等离子表面合金化炉内的工件台上，抽至真空（0.1Pa）后，通入高纯氩气，气压控制在30~40Pa，通过调节工件极电压（首先调到-300V，然后逐渐调到-900V）对齿轮表面进行预溅射处理，以清洗污渍和钝化层，清洗40~50分钟后，关闭电源和气体，重新抽至0.1Pa真空状态；
（2）升温：继续向等离子表面合金化炉内通入氩气，达到30~40Pa；按顺序依次打开循环水和测温表；开启源极和工件极电源，保持源极和工件极等电位的情况下，使工件升温至900~950°C；将源极偏压控制在-600~-900V，工件极偏压控制在-350~-650V，调节工件温度到800~900°C；将工件极电源的占空比和频率均调到最大值，以便于温度控制；
（3）保温：保持源极和工件极压差不变的情况下，通过调节占空比和频率将工件的温度控制在800~900°C工作3~5小时，使氩离子轰击源极溅射出的钼离子，原子和粒子团在钛合金齿轮表面沉积、扩散，形成钼梯度改性层；
（4）降温：依次关闭源极及工件极电源，使工件缓冷到室温。
上述方法中，所述步骤（1）中逐渐调节工件极电压的速度为100V/分钟；
上述方法中，所述钼靶的纯度≥99.97%，氩气的纯度为99.999%；
上述方法中，所述梯度改性层包含钼沉积层和钼扩散层两部分，且钼沉积层、钼扩散层及钛合金齿轮基体之间属于冶金结合，没有明显的分界面。
上述方法中，所述源极偏压和工件极偏压的压差保持恒定，得到的改性层均匀，优选地，压差控制在200~250V。
本发明的有益效果：
（1）钼梯度改性层的厚度≥50μm，结构为梯度分布，和基体之间属于冶金结合；
（2）钼梯度改性层的硬度高，且硬度和弹性模量等参数沿改性层厚度方向呈梯度分布；
（3）钼梯度改性层耐磨损。
附图说明
图1为实施例1钛合金齿轮表面改性后合金元素沿改性层厚度方向的分布图。
图2为实施例1钛合金齿轮表面改性后横截面形貌图。
图3为实施例1钛合金齿轮表面改性后硬度和弹性模量沿改性层厚度方向的分布图。
图4为实施例1钛合金齿轮同40Cr齿轮配副，钛合金齿轮表面改性前后运转4.8×104转磨损失重对比图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
以Ti6Al4V（TC4）齿轮为例，通过本发明方法对其进行表面改性，具体包括以下步骤：
（1）表面清洗：采用汽油对钛合金齿轮表面进行清洗，以去掉其表面的污渍；
（2）装炉：将经过汽油清洗的钛合金齿轮放置在等离子表面合金化炉内的阴极（工件极）台上，保持15°倾角，以便于测温；放置保温罩及源极钼靶，用密封油脂涂抹密封圈后，调下炉罩密封；
（3）抽真空：打开真空计，进行抽真空，抽气过程中需要推拉低阀，最后定位为拉伸位置，将钟罩内抽为真空状态（0.1Pa）；
（4）预溅射处理：通入高纯氩气，气压控制在40Pa，通过调节工件极电压：首先调到-300V，然后以100V/分钟的速度调到-900V，对齿轮表面进行预溅射处理，以清洗残存污渍和钝化层，清洗45分钟后，关闭电源和气体，重新抽至0.1Pa真空状态；
（5）升温：继续向合金化炉内通入氩气，达到40Pa；按顺序依次打开循环水和测温表；开启源极和工件极电源，保持源极和工件极等电位的情况下，使工件升温至900~950°C；将源极偏压调到-700V，工件极偏压调到-450V（压差为250V），调节工件温度到预定工艺温度850°C；将工件极电源的占空比和频率均调到最大值，以便于温度控制；
（6）保温：保持源极和工件极电压差不变的情况下，通过调节占空比和频率将工件的温度控制在850°C工作3小时，使氩离子轰击源极溅射出的钼离子，原子和粒子团在钛合金齿轮表面沉积、扩散，形成钼梯度改性层。
（7）降温，依次关闭源极及工件极电源，使工件缓冷到室温。
通过上述步骤可以在TC4齿轮表面成功制备出强韧性钼梯度改性层。本实施例对其微观结构和性能进行了测试，结果如图1-图4所示：图1为所制备梯度改性层厚度方向上合金元素分布图，由其可以看出呈梯度分布；图2为所制备梯度改性层横截面形貌图，对比图1得到改性层的厚度较大，为88.8μm；图3为所制备梯度改性层厚度方向上硬度和弹性模量的分布图，改性层的最大硬度值为14.6GPa，是TC4齿轮基材硬度的4倍；图4为同40Cr齿轮配副，钛合金齿轮表面改性前后运转4.8×104转磨损失重对比图，相比于改性前的TC4齿轮，改性后TC4齿轮的耐磨性提高了4倍。
实施例2：
改变实施例1升温及保温阶段的工艺参数，采用本发明方法重新对TC4齿轮进行表面改性，升温及保温阶段新采用的工艺参数如下：源极偏压调到-800V，工件极偏压调到-600V（压差为200V），调节工件温度到工艺温度900°C，保温工作5小时。通过上述工艺在TC4齿轮表面制备出的强韧性钼梯度改性层的厚度为120.3μm，最大硬度值为16.1GPa，是TC4齿轮基材硬度的4.5倍，相比于TC4齿轮基材，耐磨性提高了3.6倍。
实施例3：
以Ti6Al7Nb齿轮为例，通过本发明方法对其进行表面改性，操作步骤及工艺参数同实施例1。本实施例对Ti6Al7Nb齿轮表面强韧性钼梯度改性层的微观结构和性能进行测试，结果如下：改性层的厚度为81.7μm，最大硬度值为15.3Gpa，是Ti6Al7Nb齿轮基材硬度的3.8倍，相比于Ti6Al7Nb齿轮基材，耐磨性提高了3.3倍。

Claims (6)

1.一种钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：采用等离子表面合金化方法，以钼靶作为源极，钛合金齿轮作为工件极，经过沉积和扩散，在钛合金齿轮表面形成具有强韧性的钼梯度改性层；包含以下步骤：
（1）钛合金齿轮表面预溅射处理：将经过汽油清洗的钛合金齿轮放入等离子表面合金化炉内的工件台上，抽至真空0.1Pa后，通入高纯氩气，气压控制在30~40Pa；通过调节工件极电压：首先快速调到-300V，然后逐渐调到-900V，对齿轮表面进行预溅射处理，以清洗污渍和钝化层，清洗40~50分钟后，关闭电源和气体，重新抽至0.1Pa真空状态；
（2）制备：继续向等离子表面合金化炉内通入氩气，达到30~40Pa，依次开启源极和工件极电源，保持源极和工件极等电位的情况下，使工件升温至900~950°C，然后将源极偏压控制在-600~-900V，工件极偏压控制在-350~-650V，使工件保持在800~900°C下工作3~5小时，在电场作用下，氩离子轰击源极溅射出的钼离子，原子和粒子团在钛合金齿轮表面沉积、扩散，形成钼梯度改性层；
（3）降温：依次关闭源极及工件极电源，使工件缓冷到室温。
2.根据权利要求1所述的钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：所述步骤（1）中逐渐调节工件极电压的速度为100V/分钟。
3.根据权利要求1所述的钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：所述钼靶的纯度≥99.97%，氩气的纯度为99.999%。
4.根据权利要求1所述的钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：所述梯度改性层包含钼沉积层和钼扩散层两部分，且钼沉积层、钼扩散层及钛合金齿轮基体之间属于冶金结合，没有明显的分界面。
5.根据权利要求1所述的钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：所述源极偏压和工件极偏压的压差保持恒定。
6.根据权利要求5所述的钛合金齿轮表面制备强韧性钼梯度改性层的方法，其特征在于：所述源极偏压和工件极偏压的压差控制在200~250V。
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