CN111041406A - 一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，根据齿轮结构形式，设计渗碳‑激光冲击强化的加工路径，满足不同位置加工的需求；其具体步骤为：步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理；步骤2：对经步骤1渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理；步骤3：对经步骤2淬火和回火处理后的齿轮进行激光冲击强化处理，根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％。本发明综合利用渗碳和激光冲击强化的技术优势，有效提升航空发动机传动齿轮的表面硬度、残余压应力，从而提高抗磨损、抗疲劳性能，满足工业应用的要求。

Description

一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法
技术领域
本发明属于表面强化处理技术领域，涉及一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，具体为采用渗碳和激光冲击强化复合工艺，目的是为了提高齿轮的抗磨损和抗疲劳性能。
背景技术
齿轮是航空发动机关键传动部件，特别是在涡轴发动机中，是实现扭矩、转矩传递的核心部件。在服役过程中，齿轮啮合面经常受到强烈的相互摩擦，以及承受拉-压交变应力、剪切应力、剧烈冲击动应力等复杂应力状态的作用，接触疲劳和磨损问题突出，导致我国航空装备传动齿轮部件面临寿命短、可靠性差、早期故障多等问题，在一定程度上制约了我国航空技术的发展。
当前，我国航空用传动齿轮在制造过程中普遍采用渗碳/氮工艺的方法来改变材料表层成分，实现微观组织改变和硬度提升，提高齿轮齿面抗磨损/疲劳性能。但在发动机齿轮实际服役或在研过程中发现，渗碳/氮处理后的齿轮齿面在一定程度上解决了疲劳/磨损问题，但仍难以满足现役以及下一代航空发动机传动齿轮重载、长寿命使用的要求。因此，需要寻求一种新的工艺方法，在不改变齿轮材料和基体性能的基础上，进一步提升渗碳齿轮表面抗疲劳/磨损性能，实现发动机齿轮长寿命、高可靠性的使用要求，为航空装备安全运行、部队作战力生成提供有力支撑。
发明内容
本发明根据航空发动机齿轮结构特征和现有渗碳工艺难以满足使用要求的问题，提供了一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，该方法在渗碳层上加激光冲击强化，进一步提升耐磨性能，同时引入的残余压应力，在提高齿轮齿面抗磨损性能基础上进一步提升其抗疲劳性能。发明的应用，可提高现役及下一代航空发动机齿轮在复杂服役环境下的可靠性和使用寿命，具有重要的军事价值和显著的经济效益。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，根据齿轮结构形式，设计渗碳-激光冲击强化的加工路径，满足不同位置加工的需求；其具体步骤为：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理；
步骤2：对经步骤1渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理；
步骤3：对经步骤2淬火和回火处理后的齿轮进行激光冲击强化处理，根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，渗碳温度为915～935℃，保温120～180分钟，渗碳碳势为0.8％～1.0％。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，在850℃下进行淬火工艺，然后以-85～-65℃下冷却120～180分钟，最后以140～160℃下回火。
本发明进一步的改进在于，渗碳热处理后的材料保证磁粉探伤和超声波探伤合格。
本发明进一步的改进在于，激光冲击强化的参数中，激光选择YD60-M165，激光能量为高斯分布，脉宽为20ns，激光波长为1064nm；激光功率密度能够使得材料表面发生动态塑性变形，选择50％的搭接率，约束层为纯水，保护吸收层为齿轮表面贴敷的黑胶带。
本发明进一步的改进在于，冲击1次需要4道工序，每道工序需重新贴一次吸收层，每次更换吸收保护层后要确保试样的定位准确，确保完全按照预设的4道工序进行加工。
本发明进一步的改进在于，根据齿轮失效位置，选择激光冲击强化的位置为齿轮齿面。
本发明进一步的改进在于，为防止齿与齿之间相互遮挡，根据齿轮结构特征，在确保强化效果前提下，调整激光冲击强化角度与齿面垂直线夹角成45°，确保待强化齿面区域激光全覆盖。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，先将材料进行渗碳处理，然后最后将渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理，最后进行激光冲击强化处理。本发明由于采用了激光冲击强化、渗碳热处理相结合进行表面强化的处理工艺，使得各个工艺处理之间相互弥补各自的不足，发挥各自的优势从而进一步提高齿轮磨损、抗疲劳的性能。同时，结合齿轮结构特征，在考虑强化效果基础上，限定了激光入射角度范围。概况来说，本发明具有如下的优点：
1、可以弥补渗碳渗层不均，表面存在拉应力，难以满足重载、长寿命构件的使用要求等问题。
2、可以弥补激光冲击强化硬度提升范围较小的问题。
3、一般情况下，硬度和残余压应力是评价材料耐磨性和疲劳性能的重要指标。因此，在渗碳层上加激光冲击强化，可以进一步提升耐磨性能，另外引入的残余压应力也可以抵消渗碳过程的应力，残余压应力可以有效阻止表面裂纹的扩展，进一步提升抗疲劳性能。
附图说明
图1为激光冲击强化光斑搭接方式，冲击一次时，共有四道工序。
图2为复合工艺处理材料截面示意图。
图3为齿轮复合工艺加工示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的实例中，采用与齿轮相同工艺的齿轮钢，对其进行渗碳+激光冲击强化处理，具体实施步骤为：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮钢表面进行渗碳处理，渗碳时，渗碳温度为915℃，保温180分钟，渗碳碳势为1.0％。
步骤2：对经步骤1处理的齿轮钢进行淬火和回火处理，在850℃下进行淬火工艺，然后以-85℃下冷却180分钟，最后以160℃下回火。要保证渗碳处理后的材料磁粉探伤和超声波探伤合格。
步骤3：对经步骤2处理的齿轮钢以图1的光斑搭接方式进行激光冲击强化处理，根据材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长为1064nm、脉宽20ns、激光能量3J，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％对区域冲击1次。经过上述方法对齿轮钢进行渗碳+激光冲击强化处理，其复合工艺处理材料截面如图2所示。
实施例2：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮钢表面进行渗碳处理，渗碳时，渗碳温度为935℃，保温120分钟，渗碳碳势为0.8％。
步骤2：对经步骤1处理的齿轮钢进行淬火和回火处理，在850℃下进行淬火工艺，然后以-65℃下冷却120分钟，最后以140℃下回火。要保证渗碳处理后的材料磁粉探伤和超声波探伤合格。
步骤3：对经步骤2处理的齿轮钢以图1的光斑搭接方式进行激光冲击强化处理，根据材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长为1064nm、脉宽20ns、激光能量3J，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％对区域冲击3次。
实施例3：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮钢表面进行渗碳处理，渗碳时，渗碳温度为927℃，保温160分钟，渗碳碳势为1.0％。
步骤2：对经步骤1处理的齿轮钢进行淬火和回火处理，在850℃下进行淬火工艺，然后以-75℃下冷却150分钟，最后以150℃下回火。要保证渗碳处理后的材料磁粉探伤和超声波探伤合格。
步骤3：对经步骤2处理的齿轮钢以图1的光斑搭接方式进行激光冲击强化处理，根据材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长为1064nm、脉宽20ns、激光能量5J，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％对区域冲击1次。
实施例4：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮钢表面进行渗碳处理，渗碳时，渗碳温度为927℃，保温160分钟，渗碳碳势为1.0％。
步骤2：对经步骤1处理的齿轮钢进行淬火和回火处理，在850℃下进行淬火工艺，然后以-75℃下冷却150分钟，最后以150℃下回火。要保证渗碳处理后的材料磁粉探伤和超声波探伤合格。
步骤3：对经步骤2处理的齿轮钢以图1的光斑搭接方式进行激光冲击强化处理，根据材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长为1064nm、脉宽20ns、激光能量5J，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％对区域冲击3次。
激光冲击强化的功率密度和冲击次数可根据材料实际情况进行调整。如果不满足要求，可以将激光能量提升或者增加冲击次数，或者将两个参数同时提高。
对照组1：
现有的齿轮材料热处理方法
对照组2：
本对照组2与实施例1相比，仅对齿轮材料进行渗碳处理
为了对比本发明效果，选用同一批次的齿轮材料作为实验对象，随机分为五组后，分别用上述五种方法进行处理，对处理后的板材进行表面显微硬度和残余应力，具体对比数据如下表1所示
表1
实施工艺 表面硬度(HV) 表面残余应力(MPa)
对照组1 271.3 -24.60
对照组2 783.3 -222.34
实施例1 852.6 -528
实施例2 873.9 -783
实施例3 944.9 -617
实施例4 935.0 -925
由上表1可知，本发明处理方法能有效增加齿轮钢表面硬度和表面残余压应力，很好提升其使用价值，经济效益较高。
实施例5：
对航空发动机齿轮进行复合工艺处理，具体实施步骤为：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理，渗碳时，渗碳温度为927℃，保温120分钟，渗碳碳势为1.0％。
步骤2：对经步骤1处理的齿轮进行淬火和回火处理，在850℃下进行淬火工艺，然后以-75℃下冷却120分钟，最后以150℃下回火。要保证渗碳处理后的材料磁粉探伤和超声波探伤合格。
步骤3：将齿轮安装在激光冲击强化设备的夹具上，根据材料的特性和案例1确定激光冲击强化的参数：激光波长为1064nm、脉宽20ns、激光能量为5J，光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％，在齿轮的表面贴上保护层黑胶带，确保冲击区域的保护层覆盖良好，设置激光冲击强化角度与齿面垂直线夹角成45°，对如图3所示齿面区域进行冲击1次。
步骤4：对复合工艺处理的齿轮进行表面完整性检测，分析激光冲击强化对齿轮表面的影响程度，若不符合齿轮精度要求，可适当调整激光冲击强化中激光能量、搭接率等参数。

Claims (8)

1.一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，根据齿轮结构形式，设计渗碳-激光冲击强化的加工路径，满足不同位置加工的需求；其具体步骤为：
步骤1：采用气体渗碳技术对齿轮表面进行渗碳处理；
步骤2：对经步骤1渗碳处理后的齿轮进行淬火和回火处理；
步骤3：对经步骤2淬火和回火处理后的齿轮进行激光冲击强化处理，根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，激光冲击强化处理时的光斑直径为2.4mm，光斑搭接率为50％。
2.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，步骤1中，渗碳温度为915～935℃，保温120～180分钟，渗碳碳势为0.8％～1.0％。
3.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，步骤2中，在850℃下进行淬火工艺，然后以-85～-65℃下冷却120～180分钟，最后以140～160℃下回火。
4.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，渗碳热处理后的材料保证磁粉探伤和超声波探伤合格。
5.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，激光冲击强化的参数中，激光选择YD60-M165，激光能量为高斯分布，脉宽为20ns，激光波长为1064nm；激光功率密度能够使得材料表面发生动态塑性变形，选择50％的搭接率，约束层为纯水，保护吸收层为齿轮表面贴敷的黑胶带。
6.根据权利要求5所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，冲击1次需要4道工序，每道工序需重新贴一次吸收层，每次更换吸收保护层后要确保试样的定位准确，确保完全按照预设的4道工序进行加工。
7.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，根据齿轮失效位置，选择激光冲击强化的位置为齿轮齿面。
8.根据权利要求1所述的一种提高发动机齿轮抗磨损/疲劳性能的复合工艺方法，其特征在于，为防止齿与齿之间相互遮挡，根据齿轮结构特征，在确保强化效果前提下，调整激光冲击强化角度与齿面垂直线夹角成45°，确保待强化齿面区域激光全覆盖。
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