TC4钛合金螺栓真空渗氮组织及性能

作者:杨闯;黎阳;洪流;吴玉龙 刊名:热加工工艺 上传者:郑建东

【摘要】采用真空技术对TC4钛合金螺栓进行表面渗氮。运用金相显微镜、XRD、显微硬度计、磨损试验机及疲劳试验机研究了渗氮层的显微组织和性能。在相同条件下进行磨损及微动疲劳试验。结果表明.钛合金螺栓经820℃真空渗氮10h后,渗氮层物相主要由TiN、Ti2AlN和TiAl组成,获得了由氮化物层和氮扩散区组成的致密渗氮层。表面硬度为1100---1200HV,与基体硬度相比,提高了近3倍,硬化层深度达60-70μm。渗氮试样磨损失重为未渗氮试样的1/3,表面磨痕细密,平均微动疲劳寿命提到了20.2%。TC4钛合金螺栓经真空渗氮后,硬度、耐磨性和微动疲劳寿命得到了明显改善。

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钛合金紧固件具有比强度高、耐高温及耐腐蚀等特点,广泛应用于现代航天航空及相关领域[1-3]。美国在C5-A飞机上使用了近14.7万件钛合金紧固件,F-15战斗机钛合金紧固件占紧固件总用量的75%以上。俄罗斯伊尔-96飞机也大量采用钛合金紧固件,减重约600 kg。我国在航天航空领域广泛使用钛合金紧固件。钛合金紧固件属于承力构件,在工作过程中受剪切、微动磨损、拉伸、压缩、应力腐蚀、弯曲及疲劳等作用,受力情况非常复杂。同时钛合金表面硬度较低,耐磨性和抗微动磨损疲劳能力较差,易出现疲劳、微动疲劳及磨损等情况而导致零件过早失效,严重限制了钛合金的使用范围。钛与氮反应生成的氮化物具有硬度高、摩擦系数低、化学稳定性好及导电性优良等优点[4-5],因此,在钛合金表面制备钛的氮化物层可有效提高其表面硬度、耐磨性及抗疲劳性等。目前,常用的制备方法有普通气体渗氮法[6-7]、磁控溅射法[8-9]、离子渗氮法[10]和激光气体氮化法[11-12]等,但在这些方法中普遍存在制备的氮化物层薄,处理时间长,与基体结合强度差等缺点,在实际生产中较少使用。本文结合真空技术,以高纯氮气为介质,在钛合金螺栓表面制备致密的强化层,并对强化层的组织结构、耐磨性和微动磨损疲劳进行研究,为改善TC4钛合金螺栓的性能提供依据。1试验材料与方法1.1试验材料试验材料为TC4钛合金,其化学成分(wt%)为:6.29Al,4.12V,0.03Fe,0.015C,0.13O,余为Ti。螺栓按照QJ1747标准制造,规格为MJ20,形状见图1,相关尺寸为L=120mm,k=10mm,d=20mm,S=36mm,强度等级为1100 MPa。真空渗氮前采取固溶时效处理,工艺参数为950℃×1.5h固溶+540℃×6h时效。相关力学性能指标为:σb=1170 MPa,σ0.2=1080 MPa,σ=14.3%,准=48.7%。1.2真空渗氮真空渗氮设备选用SKGLG管式炉。渗氮温度820℃,渗氮压力0.015 MPa,渗氮时间10 h,渗氮介质为高纯氮气。将清洗后的TC4钛合金螺栓装炉,用氩气排除炉内空气后,进行抽真空至5~20Pa,然后升至渗氮温度保温1h后将真空泵关闭,接着通入高纯氮气保持30 min渗氮后,又抽空进行扩散30 min,再行通气渗氮[13]。循环上述过程至规定渗氮时间。1.3分析测试采用OLYPUS型金相显微镜和X射线衍射仪分析渗层的组织与相组成,在MHV-2000型数字显微硬度计上测量试样的表面硬度及截面渗层的硬度梯度,加载时间15s,载荷0.98N。螺栓磨损试验在螺栓专用磨损试验机上进行,模拟螺栓实际应用受力情况进行试验,施加轴向力,进行反复旋进和旋出试验,用失重法和磨痕形貌观察法综合评定螺栓的耐磨性。主要参数为:轴向力为50 N,旋入旋出200次,用精度为0.1 mg电子分析天平测量试样失重,磨痕形貌用JSM型扫描电镜进行分析。按照国家标准GB/T《螺纹紧固件轴向载荷疲劳实验方法》,在PWS200电液伺服疲劳试验机上进行微动磨损疲劳性能测试。应力比R=0.1,最大载荷124 k N,最小载荷12.4 k N,平均载荷68.2 k N,载荷幅值55.8k N,正弦波波形,频率为30Hz。微动磨损试样表面的接触压力用应力环上的螺栓通过微动桥施加到试样表面,施加法相压应力为50N。2试验结果与分析2.1组织与结构图2为TC4钛合金螺栓经820℃真空渗氮10h后截面的金相组织。可知,TC4钛合金螺栓真空渗氮后截面渗氮层组织由表层氮化物层、次表层氮扩散区及基体组成,基体组织为α+β双相组织。

参考文献

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