[发明专利]一种适用于规则轮廓TC4钛合金的表面高频感应处理硬化方法

说明书

本发明公开了一种适用于规则轮廓TC4钛合金的表面高频感应处理硬化方法，通过超高频感应加热对最大厚度或直径不大于10cm且外形规则的TC4钛合金进行加热。超高频感应加热设备最大功率为10kW，频率为600KHz‑1100KHz，加热时间1～5s，然后进行冷却，最后在真空热处理炉中进行时效处理，时效温度为380℃～550℃，保温4h～8h取出。本发明TC4钛合金表面硬化方法与其它硬化方法相比具有方便可控，显微组织呈梯度分布，表层和心部的结合更加牢固，表层硬度提高，可以在要求表面硬度较高的TC4钛合金构件中使用，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种针对钛合金表面热处理硬化方法，尤其涉及一种适用于规则轮廓TC4钛合金的表面高频感应处理硬化方法。

背景技术

钛合金因具有高的比强度、良好的耐热性和耐腐蚀性能等特点广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工和医疗等领域。特别是双相钛合金因综合性能优良，在航空航天工业用量占钛合金总用量的70 %，TC4钛合金是用量最大的双相钛合金。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，使钛合金的应用越来越广泛。但是，钛合金存在对粘着磨损和微动损伤敏感，耐磨性差，对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点。特别是当钛合金零件作为运动副零件时，耐磨性成为影响其使用性能和寿命的最重要的因素之一。研究表明钛合金的耐磨性与零件的表面状态和硬度有很大关系。钛合金零件在工作过程中，常常会因其表面硬度低而易发生微动磨损、接触疲劳、摩擦磨损、点蚀和缝隙腐蚀等失效现象。因此，钛合金的表面硬化处理技术一直受到材料工作者重视，采用何种材料表面改性技术来提高零件的表面硬度成为关键问题。

钛合金的力学性能很大程度上取决于其相分布、热机械加工过程中形成的微观组织以及最终的热处理工艺。钛合金组织形态可分为四种典型组织包括等轴组织、双态组织、网篮组织和魏氏组织。每种显微组织的钛合金表现出不同的力学性能。等轴和双态组织均由等轴状的α相和β相组成。当初生α相的相对含量为大于50 %时为等轴组织，该组织的塑性高、抗疲劳裂纹扩展能力好；当初生α相的相对含量小于50 %时为双态组织，该组织在室温拉伸性能和热稳定性能与等轴组织的性能类似，但是断裂韧性及疲劳性较好。网篮组织α片短或α+β小片短而歪扭，晶界α相已经不明显，晶内片状α相变短变粗，在原始β晶粒的轮廓内呈网篮状编织的片状结构，其具有较好的塑性、韧性以及高周疲劳强度。魏氏组织的组织特征为β晶粒边界清晰完整，晶界α相非常明显，晶内α相呈粗片状规则排列，一般都存在粗大集束，长而平直，并具有较大的纵横比。其断裂韧性、蠕变性能和硬度相对较高，但塑性、抗应力腐蚀性能差。

目前，适用于钛合金表面处理技术主要有气相沉积、热渗镀、激光表面处理、离子注入、转化膜、喷丸、热喷涂、化学镀、电镀等。它们的主要作用一是提高钛合金零件的防腐蚀、耐磨、防高温、提高生物活性或延长使用寿命，如表面氧化、表面氮化等； 二是提高零件表层的强度和硬度，如通过表面涂装有机或无机涂层，以及通过离子镀或超声速火焰喷涂硬质合金等镀层。

气相沉积可以在钛合金的零件表面上获得金属或非金属涂层，它克服了涂层与基体结合力差的缺点，且不易带来氢脆问题，较传统电镀层致密，膜基结合强度高。离子注入可以通过注入离子起到明显的固溶强化作用，提高表层强度，并在表面产生一定的残余压应力。热喷涂是在零件表面涂上耐磨涂层或有机涂层的表面处理工艺。各种工艺都具有各自的特点，有些工艺对设备的要求比较高。

应加热表面淬火是一种常见的表面淬火方法，因它具有以下优点在钢铁零件中广泛应用。(1) 感应加热速度快；(2)加热时间短，零件表面氧化脱碳少；(3) 能进行选择性加热；(4) 可通过电气参数对过程进行精确的工艺控制。钢铁零件经过感应加热后快速冷却，可以获得“表硬里韧”的梯度结构，从而提高零件表面的硬度、耐磨性和抗疲劳性能等，以大幅度延长零件的使用寿命。而就TC4钛合金来说，可以利用同样的原理来提高零件的表面硬度。将TC4钛合金零件经过感应加热后快速冷却，然后再在一定的温度下进行低温时效处理，在零件表面析出细小、弥散的第二相，同样可以获得“表硬里韧”的梯度结构，从而提高零件表面的硬度。

发明内容