一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法技术

本发明专利技术一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法，属于金属材料表面涂镀层与改性领域；首先采用高能超声光整强化技术对钛合金或钢的试样表面进行预处理，以在钛合金或钢表层形成梯度结构，引入残余压应力层；然后采用等离子体增强沉积技术制备陶瓷/金属复合结构涂层。将等离子体增强沉积陶瓷/金属叠层技术与高能超声光整强化技术复合，一方面借助可自由滚动的球形工具头对钛合金或钢进行高能超声强化处理获得了低表面粗糙度(0.1～0.2μm)的梯度层结构，另一方面通过对复合涂层金属层与陶瓷层镀制时间和循环周期的控制，获得了抗固体粒子冲蚀性能较钛合金或钢基体优的复合陶瓷层。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法
本专利技术属于金属材料表面涂镀层与改性领域，用于钛合金、钢等航空发动机及汽车轮毂的重要承力件表面涂镀层，具体涉及一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法。
技术介绍
钛合金、不锈钢及镍基合金等金属材料因其优异的综合性能从而在航空发动机等动力装备上得到了广泛的应用，然而，这些金属结构件在服役过程中常会因遭受沙砾冲蚀损伤而在表面产生蚀坑或缺口，受力过程中极易因蚀坑底部的局部应力集中而提早发生疲劳断裂，由此严重影响了这些金属结构件的服役安全性及寿命。等离子体增强沉积镀膜技术制备涂层与基体具有较高的结合强度，可制备致密性好的涂层，绿色无污染，符合全球环境可持续发展理念，因此在航空、刀具以及汽车制造业等领域均得到了广泛应用，以解决金属基体耐磨及冲蚀性能差的问题。中华人民共和国专利CN110983242A(申请公布号)将离子氮化与电弧镀相结合制备出耐磨性能好的TiN涂层，此类耐磨防护膜层硬度高，以致普遍韧性较差，受力环境下极易产生裂纹而降低金属基材的疲劳抗力，这一直是限制等离子体电弧沉积陶瓷涂层在发动机叶片及汽车轮毂上进一步应用的主要原因。高能超声光整强化技术可在金属材料表面形成显微硬度及组织随深度变化的梯度结构和数值大、分布深的残余压应力层，且同时获得良好的表面完整性，与超声冲击相比(中华人民共和国专利CN109465680A)在金属材料表面形变强化领域实现了表面光整与形变强化的合理兼顾。良好的表面完整性加之残余压应力的存在均可以提高金属基材疲劳裂纹的萌生阻力，并阻碍裂纹扩展，有利于改善金属零部件的疲劳性能，这使得高能超声光整强化技术在工业领域的应用表现出了较大的潜力与进一步开发的可能性。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种兼顾金属结构件耐固体粒子冲蚀和抗疲劳性能的复合表面强化技术，即将等离子体增强沉积陶瓷/金属叠层技术与高能超声光整强化技术复合处理钛合金、钢等航空发动机及汽车轮毂的重要金属承力件，以实现金属基材全攻角抗固体粒子冲蚀性能的提升，并兼顾良好的抗疲劳性能。本专利技术的技术方案是：一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：采用高能超声光整强化技术对钛合金或钢的试样表面进行预处理，以在钛合金或钢表层形成梯度结构，引入残余压应力层；步骤二：对步骤一处理后的钛合金或钢于常温下采用无水乙醇溶液进行清洗，清洗后吹干待用；步骤三：将清洗并吹干后的钛合金或钢放入真空室中，抽取真空度至1×10-2Pa，通入氩气，使真空室气压为1.1～1.2Pa，开启电源，调节钛合金或钢基体电压为-200～-500V，采用氩离子溅射清洗钛合金或钢表面，清洗时间40～50min；步骤四：采用等离子体增强沉积技术在钛合金或钢表面制备一层Ti金属过渡层，其中真空室气压为1.1～1.2Pa，钛合金或钢基体电压为-100～-200V，Ti阴极电流40～60A，制备时间10～20min；步骤五：向真空室通入氮气，采用等离子体增强沉积技术在步骤四的Ti金属过渡层上制备第一层TiN陶瓷层，其中钛合金或钢基体电压降为-50～-100V，溅射时间30～40min；步骤六：首先关闭氮气，然后继续采用等离子体增强沉积技术在第一层TiN陶瓷层上制备Ti金属中间层，钛合金或钢基体电压保持-50～-100V不变，溅射时间5～15min；步骤七：循环重复步骤五和步骤六，从而获得N个TiN/Ti单元组成的多层膜；其中，3≤N≤10；步骤八：最后一层TiN陶瓷层镀制完成后关闭Ti阴极电源，关闭氮气，关闭氩气，空冷至室温，打开真空室取出处理后的钛合金或钢，即获得兼顾金属基体耐固体粒子冲蚀与抗疲劳性能的复合涂层。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤一中高能超声光整强化技术采用能够自由旋转的WC球形工具头，工具头直径10mm，处理过程机床转速130～150r/min，进给量0.15～0.2mm/r，静压力700～900N，处理过程需确保工具头的中心与钛合金或钢的试样轴线位于同一水平面。本专利技术的进一步技术方案是：所述高能超声光整强化技术处理后的钛合金和钢表面粗糙度为0.1μm～0.2μm。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中采用超声清洗技术对高能超声光整强化处理后的钛合金或钢进行超声清洗，清洗时间为10～20min，清洗后的钛合金或钢用吹风机冷风吹干待用。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤三、四的氩气流量均为200～300sccm。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤五氮气流量为700～800sccm。有益效果本专利技术的有益效果在于：将等离子体增强沉积陶瓷/金属叠层技术与高能超声光整强化技术复合，一方面借助可自由滚动的球形工具头对钛合金或钢进行高能超声强化处理获得了低表面粗糙度(0.1～0.2μm)的梯度层结构，另一方面通过对复合涂层金属层与陶瓷层镀制时间和循环周期的控制，获得了抗固体粒子冲蚀性能较钛合金或钢基体优的复合陶瓷层。制备过程中采用等离子体增强沉积技术在钛合金或钢表面制备一层Ti金属过渡层，Ti过渡层可以增加后续TiN陶瓷层与钛合金基体之间的结合强度。这种在陶瓷/金属复合涂层制备过程中加入高能超声光整强化的预处理，在改善钛合金和钢构件抗全攻角固体粒子冲蚀性能的同时，兼顾了其疲劳抗力(复合处理后钛合金和钢试样冲蚀后无明显损伤，表面复合膜层完整且无脱落，同时，该复合处理后钛合金试样的疲劳寿命为未处理钛合金的2.3倍，复合处理后钢试样的疲劳寿命为未处理钢的3倍)，同时具有良好的环保工艺技术特点。附图说明图1为陶瓷/金属叠层涂层与高能超声光整强化技术复合处理金属材料表层状态示意图。图2为不同表面状态TC4钛合金的疲劳寿命试验结果(基材表示TC4钛合金不做表面处理，TiN/Ti为等离子体增强沉积TiN/Ti叠层，“强化+TiN/Ti”为高能超声光整强化与TiN/Ti叠层复合处理)。具体实施方式下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例1将TC4钛合金分别加工成Φ30×4mm的圆片和旋转弯曲疲劳试样(依据标准“HB5152-96金属室温旋转弯曲疲劳试验方法”)，在采用等离子体增强沉积技术在钛合金表面制备陶瓷/金属复合膜层前，先借助高能超声光整强化技术对其表面进行强化预处理，强化后的钛合金试样超声清洗后吹干待用。钛合金高能超声光整强化处理步骤如下：将疲劳样品采用三角夹与顶针固定于数控车床上，调整疲劳试样和超声强化工具球头的轴线位置，确保球头中心与疲劳试样轴线同水平，再设置车床轴向进给量(0.2mm/r)、转速(130r/min)和静压力(750N)，然后开启车床，进行钛合金表面高能超声光整强化处理。之后再进行表面涂层制备，采用等离子体增强沉积技术制备陶瓷/金属复合结构涂层，具体操作步骤和试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法，其特征在于具体步骤如下：/n步骤一：采用高能超声光整强化技术对钛合金或钢的试样表面进行预处理，以在钛合金或钢表层形成梯度结构，引入残余压应力层；/n步骤二：对步骤一处理后的钛合金或钢于常温下采用无水乙醇溶液进行清洗，清洗后吹干待用；/n步骤三：将清洗并吹干后的钛合金或钢放入真空室中，抽取真空度至1×10

【技术特征摘要】
1.一种兼顾金属材料耐冲蚀和抗疲劳的复合表面强化方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：采用高能超声光整强化技术对钛合金或钢的试样表面进行预处理，以在钛合金或钢表层形成梯度结构，引入残余压应力层；
步骤二：对步骤一处理后的钛合金或钢于常温下采用无水乙醇溶液进行清洗，清洗后吹干待用；
步骤三：将清洗并吹干后的钛合金或钢放入真空室中，抽取真空度至1×10-2Pa，通入氩气，使真空室气压为1.1～1.2Pa，开启电源，调节钛合金或钢基体电压为-200～-500V，采用氩离子溅射清洗钛合金或钢表面，清洗时间40～50min；
步骤四：采用等离子体增强沉积技术在钛合金或钢表面制备一层Ti金属过渡层，其中真空室气压为1.1～1.2Pa，钛合金或钢基体电压为-100～-200V，Ti阴极电流40～60A，制备时间10～20min；
步骤五：向真空室通入氮气，采用等离子体增强沉积技术在步骤四的Ti金属过渡层上制备第一层TiN陶瓷层，其中钛合金或钢基体电压降为-50～-100V，溅射时间30～40min；
步骤六：首先关闭氮气，然后继续采用等离子体增强沉积技术在第一层TiN陶瓷层上制备Ti金属中间层，钛合金或钢基体电压保持-50～-100V不变，溅射时间5～15min；
步骤七：循环重复步骤五和步骤六，从而获得N个TiN/Ti单元组成的多层膜；其中，3≤N≤10；
步骤八：最后一层TiN陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘道新，马阿敏，张晓化，王若磊，何光宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61