CN109609889A - 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法 - Google Patents

一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109609889A
CN109609889A CN201811479455.0A CN201811479455A CN109609889A CN 109609889 A CN109609889 A CN 109609889A CN 201811479455 A CN201811479455 A CN 201811479455A CN 109609889 A CN109609889 A CN 109609889A
Authority
CN
China
Prior art keywords
titanium alloy
temperature
bivalve
superfinishing
thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811479455.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109609889B (zh
Inventor
孙振淋
钱钰
辛玉武
吴彦芬
何培刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AECC Harbin Dongan Engine Co Ltd
Original Assignee
AECC Harbin Dongan Engine Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AECC Harbin Dongan Engine Co Ltd filed Critical AECC Harbin Dongan Engine Co Ltd
Priority to CN201811479455.0A priority Critical patent/CN109609889B/zh
Publication of CN109609889A publication Critical patent/CN109609889A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109609889B publication Critical patent/CN109609889B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F17/00—Multi-step processes for surface treatment of metallic material involving at least one process provided for in class C23 and at least one process covered by subclass C21D or C22F or class C25

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法。本发明使用带有辅助热源的钛合金离子氮化炉，借助辅助阴极筒形工装构建等电势局域负辉区空间，采用机械屏蔽杜绝双壳层的壳层之间发生空心阴极效应，通过零件、工装与离子氮化炉内有效工作区三者几何中心重叠的方式，离子氮化时采取300～450℃、500～650℃阶梯性升温、保温与降温，到温保温时间2～4h，升温与降温速率控制在0.5～4℃/min，氮化前850～950℃高温退火，升温到300～400℃启动辉光加热系统，750～880℃氮化6～20h。本发明通过上述手段的综合运用，实现了薄壁双壳层复杂结构钛合金衬套零件高温离子氮化变形的超精控制，变形量不超过0.020mm。

Description

一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法。
背景技术
由于钛与氧、氮的化学亲和力非常强，钛合金氮化只能采取高温离子氮化，一方面可以有效去除零件表面氧化钝化膜，另一方面提高氮原子扩散激活能，用以摆脱其与基体钛原子的原位束缚，进而提升氮化速率。钛合金热导率较低，在加热过程中，零件内外温升不一致，导致其750℃以上高温氮化时变形严重，尤其是有效壁厚较薄且结构异常复杂的双壳层钛合金衬套，其离子氮化结束后，椭圆变形量需要控制在0.020mm以内，经相关文献与资料检索，目前现有工艺技术无法达到该项技术要求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，能够有效保证该类结构零件在高温离子氮化后变形量不超过0.02mm。
本发明的技术解决方案为：一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，通过辅助工装阴极，辅助阴极为筒形工装，在离子氮化炉内构建起等电势局域负辉区空间，筒形工装与双壳层衬套外径距离需大于20mm以上。
借助工装采取机械屏蔽辉光的方式，将复杂结构双壳层的壳层回转槽进行机械屏蔽。
双壳层薄壁钛合金衬套与机械屏蔽工装组合后放入筒形工装内，机械屏蔽工装材质与衬套材质一致，且屏蔽工装与衬套间距不大于0.20mm，筒形工装上盖与钛合金衬套两者的间隙控制在0.20mm以内，筒形工装与机械屏蔽用工装与零件同牌号。
筒形工装、钛合金衬套与离子氮化炉有效工作区三者之间，通过1Cr18Ni9Ti不锈钢套管实现“三心”重合，示意图见图1和图2所示。
所述钛合金衬套零件与筒形工装需为同一牌号钛合金材料。
所述钛合金离子氮化专用设备，需要将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装底部孔上引至钛合金零件附近。
所述双壳层钛合金零件尺寸50～200mm，所述的零件有效壁厚2～5mm，所述双壳层的壳层间距在5～20mm。
所述钛合金零件变形超精控制，需要在离子氮化前对零件进行800～950℃高温退火处理。
所述钛合金零件变形超精控制，离子氮化工艺温度为750～880℃，氮化保温时间为6～12h。
所述钛合金零件变形超精控制，需要在离子氮化时进行阶梯升温、保温与降温，升温与降温速率为0.5～4℃/min。
所述钛合金零件变形超精控制，阶梯升温与降温温度范围分别为300～450℃、500～650℃。
所述钛合金零件变形超精控制，使用的钛合金离子氮化专用设备具有辅助热源，且在300～400℃时启动辉光加热系统。
本发明的技术效果是：本发明薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，使用带有辅助热源的钛合金离子氮化炉，借助辅助阴极筒形工装构建等电势局域负辉区空间，采用机械屏蔽杜绝双壳层的壳层之间发生空心阴极效应，通过零件、工装与离子氮化炉内有效工作区三者几何中心重叠的方式，控制升降温、氮化前高温退火，并且筒形工装与钛合金零件同材质，通过上述手段的综合运用，实现了薄壁双壳层复杂结构钛合金衬套零件高温离子氮化变形的超精控制，变形量不超过0.020mm。
附图说明
图1为双壳层钛合金衬套、工装与有效工作区“三心”重合示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是双壳层零件主视图；
图4是双壳层零件俯视图；
图5是双壳层零件机械屏蔽主视图；
图6是机械屏蔽用上封闭环示意图；
图7是机械屏蔽用下封闭环示意图，
其中，1-离子氮化炉壳体、2-控温热电偶、3-筒形工装、4-双壳层衬套、5-零件、6-支撑柱、7-下封闭环，8-上封闭环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
某规格薄壁双壳层钛合金轴承衬套为例，该衬套材料为TA7，轴承衬套几何尺寸，如图3和图4所示，该薄壁双壳层钛合金轴承衬套离子氮化后的椭圆要求≤0.02mm，锥度≤0.01mm。
选取带有辅助热源的钛合金离子氮化专用设备，可以提高炉内几何空间炉温均匀性，降低炉温波动，减小因炉温波动造成的零件变形程度。
通过使用1Cr18Ni9Ti不锈钢导管支撑，与阴极盘相连，利用TA7材质筒形辅助阴极工装，在离子氮化炉内构建起等电势负辉区几何空间，大幅提升筒形工装内的零件轰击均匀性，使零件受热均匀。离子氮化工艺阶段，工装与零件同材质，可以保证工装与零件在高温下线膨胀系数相同，使二者几何中心始终重合。
请参阅图5，本发明使用机械屏蔽的方法，将双壳层薄壁钛合金衬套的双壳层几何空间封闭，其中，所采用的屏蔽工装为环形工装，其材质与钛合金衬套材质一致，分上下两个封闭环，分别设置在双壳层衬套上下端，且该环形工装与衬套间距不大于0.20mm，筒形工装上盖与钛合金衬套两者的间隙控制在0.20mm以内。通过这种方式，可有效杜绝回转槽内产生空心阴极效应，进而使槽底温度过高造成该部位相较于其它区域涨大严重、产生锥度超差并造成零件报废。
将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装中部插入至钛合金零件附近，提高了零件在氮化过程中的工艺温度监控能力。筒形工装上下底面均有孔洞，便于带电粒子从工装上下两侧同时轰击零件，零件上下两个方向受热均匀。
通过使零件、双壳层衬套、筒形工装及离子氮化炉有效工作区三者几何中心重叠，大幅提升了零件在离子氮化时各个方向受到带电粒子热轰击的一致性，即受热均匀性得到有效保证。
双壳层衬套零件的最外径与筒形工装内壁单边间距为25mm，防止因间距过短产生空心阴极效应。
零件氮化前进行900℃高温退火6h后，大幅提高了零件在780℃离子氮化时的组织热稳定性，可减小因组织不稳定造成的零件尺寸变形。
零件采取阶梯方式升降温，从室温升到400℃升温速率为2℃/min，当炉温升温到300℃时，启动辉光加热系统，400℃到温后保温4h，然后以1.5℃/min升温至550℃，到温后保温2h，继续以1℃/min升温至780℃，保温10h。然后以1℃/min降温至550℃，到温后保温2h，再以1.5℃/min降温至400℃，到温后保温2h，停止辉光加热系统，最后以2℃/min降至200℃后，开炉并取出钛合金零件。钛合金导热较差，零件采取阶梯升温、保温和降温，可以有效减少大尺寸钛合金零件因内外温差所致的热应力产生宏观变形。由于该双壳层结构钛合金衬套零件结构复杂且有效壁厚较薄，选取780℃离子氮化的工艺温度，可变相提高零件抗高温蠕变能力，减小变形。
通过上述方法的采用，该零件离子氮化后，最终椭圆不大于0.015mm，锥度不大于0.10mm，实现了薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化的超精变形控制。

Claims (10)

1.一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，利用辅助阴极，在离子氮化炉内构建起等电势局域负辉区空间，其中，该辅助阴极为筒形工装，筒形工装内设置有双壳层衬套，零件设置在双壳层衬套上，其中，双壳层衬套、筒形工装与离子氮化炉内有效工作区三者几何中心重合。
2.根据权利要求1所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，所述双壳层衬套采取机械屏蔽辉光的方式，其上下端分别设置上封闭环和下封闭环，将复杂结构双壳层的壳层回转槽结构进行机械屏蔽。
3.根据权利要求2所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，双壳层衬套与上、下封闭环工装及零件材质一致，均为钛合金，且筒形工装与双壳层衬套外径距离需大于20mm以上，两者的间隙控制在0.20mm以内。
4.根据权利要求1所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，筒形工装下方设置支撑管，使得筒形工装位于离子氮化炉内中央。
5.根据权利要求4所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，所述离子氮化炉具有辅助加热设备，将阴极盘底部控温热电偶通过筒形工装底部孔上引至钛合金零件附近。
6.根据权利要求5所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，所述双壳层钛合金零件尺寸50～200mm，所述零件有效壁厚2～5mm，所述双壳层衬套的壳层间距在5～20mm。
7.根据权利要求6所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，在离子氮化前对零件进行800～950℃高温退火处理。
8.根据权利要求7所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，离子氮化工艺温度为750～880℃，氮化保温时间为6～12h。
9.根据权利要求8所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，在离子氮化时进行阶梯升温、保温与降温，升温与降温速率为0.5～4℃/min，阶梯升温与降温温度范围分别为300～450℃、500～650℃。
10.根据权利要求9所述的薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法，其特征在于，所述离子氮化炉具有辅助加热设备，在300～400℃时启动辉光加热系统。
CN201811479455.0A 2018-12-05 2018-12-05 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法 Active CN109609889B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811479455.0A CN109609889B (zh) 2018-12-05 2018-12-05 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811479455.0A CN109609889B (zh) 2018-12-05 2018-12-05 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109609889A true CN109609889A (zh) 2019-04-12
CN109609889B CN109609889B (zh) 2021-11-09

Family

ID=66007128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811479455.0A Active CN109609889B (zh) 2018-12-05 2018-12-05 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109609889B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113930715A (zh) * 2021-08-31 2022-01-14 北京卫星制造厂有限公司 一种小模数齿轮离子渗氮方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103320772A (zh) * 2013-07-04 2013-09-25 大连理工大学 一种金属内表面改性的装置和方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103320772A (zh) * 2013-07-04 2013-09-25 大连理工大学 一种金属内表面改性的装置和方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113930715A (zh) * 2021-08-31 2022-01-14 北京卫星制造厂有限公司 一种小模数齿轮离子渗氮方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109609889B (zh) 2021-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100528394C (zh) 一种高平直度钨板的校平方法
CN104846341B (zh) 难熔金属旋转靶材等温挤压生产方法
CN109609889A (zh) 一种薄壁双壳层钛合金衬套高温氮化超精变形控制方法
CN106521202B (zh) 一种钼铪合金板材的制备方法
CN105312367A (zh) 高强度钢薄壁环形锻件之矫形装置及矫形方法
CN109518121A (zh) 一种利用空心阴极效应调控薄壁钛合金零件变形的方法
CN102847954B (zh) 一种用于氢化钛粉脱氢的真空炉装置及其脱氢方法
CN109518122A (zh) 薄壁大尺寸非对称回转类钛合金零件离子氮化控制方法
CN110066973A (zh) 大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法
CN109680243A (zh) 薄壁中小尺寸非对称回转类钛合金零件氮化变形控制方法
JP2018104723A (ja) プラズマ窒化装置
CN209307453U (zh) 一种用于带卷罩式炉退火的料架
CN104556050B (zh) 一种电子束过热熔炼去除多晶硅中金属杂质的方法和装置
US8871042B2 (en) Heat treatment apparatus and a method of using such apparatus
CN106702313B (zh) 一种奥氏体不锈钢细长管的低温离子硬化处理装置
KR101453532B1 (ko) 전자 교반을 이용한 액상 또는 레오로지 소재의 박막 부품 제조장치
WO2015093167A1 (ja) プラズマ窒化装置
CN100355528C (zh) 一种高精度钨片制备方法
CN103045924A (zh) 一种电子束熔炼制备钨电极材料的方法
JP5356172B2 (ja) 熱間等圧加圧装置及び熱間等圧加圧方法
CN210420134U (zh) 用于热等静压制备管型靶材的支撑件
CN108660300A (zh) 一种防止金属圆筒热处理吸气劣化和减少变形的方法
CN109468437B (zh) 一种恒速降温真空退火炉
CN206328451U (zh) 一种奥氏体不锈钢细长管的低温离子硬化处理装置
JPH0576977A (ja) 高温型鍛造方法および装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant