一种航空高铬热强不锈钢航空零部件氮化处理工艺的制作方法

本发明涉及金属表面热处理，具体为一种航空高铬热强不锈钢航空零部件氮化处理工艺。

背景技术：

1、针对高铬马氏体热强不锈钢材质的航空零部件，现有技术通常采用喷砂预处理配合分段式气体氮化的工艺方案，以在工件表面获得具备耐磨性能的硬化渗层；但受材料自身高合金元素含量的特性影响，工件经喷砂去除表面原生钝化膜后，在装炉前的暂存与转运过程中仍与空气接触，表面会快速重新生成致密的氧化铬钝化膜，而常规氮化炉内仅以氨气作为反应气源，不具备对新生钝化膜的原位破除能力，导致氮原子向基体内部的渗入持续受阻，最终易出现渗层深度不足、表面硬度均匀性偏差的问题。

2、与此同时，现有分段氮化工艺主要通过调整加热温度与氨分解率实现渗氮过程控制，未对不同渗氮阶段的氮势参数开展梯度化的精准闭环管控，且渗后回火工序的参数设置与氮化组织的应力特性匹配度不足，氮化过程中形成的组织应力无法得到充分释放，易引发渗层脆性偏高、内部组织均匀性不佳的缺陷，难以适配航空关键零部件的严苛服役要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有高铬热强不锈钢航空零部件氮化工艺的上述不足，提供一种航空高铬热强不锈钢航空零部件氮化处理工艺，通过炉内原位活化破除工件表面再生的氧化铬钝化膜、打通氮原子渗入通道，改善渗层深度与表面硬度的均匀性，同时通过三段梯度氮化过程的氮势精准闭环管控及与氮化组织特性相适配的渗后真空回火处理，充分消除氮化组织应力、降低渗层脆性，最终获得组织均匀、结合性能优异的氮化渗层，满足航空关键零部件的严苛服役要求。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种航空高铬热强不锈钢航空零部件氮化处理工艺，针对采用1cr16co5ni2mowvnbn马氏体热强不锈钢制备的航空零部件，包括以下步骤：

3、s1工件前置预处理：对精加工后的零部件进行多槽超声波脱脂后烘干，采用180#白刚玉进行干式压力喷砂，控制表面粗糙度ra=0.8~1.6μm，吹扫洁净后对非渗氮区域涂覆耐高温氮化防渗涂料并烘干固化，喷砂完成后采用高纯氩气密封封装，入炉前暂存时长不超过2小时；

4、s2炉内活化处理：将零部件装入真空氮化炉，按配比装填无水氯化铵与石英砂的混合活化剂，经氨气抽放置换后，采用阶梯升温模式升至350℃恒温活化90min，控制氨分解率为30%~35%，利用氯化铵分解产生的氯化氢去除工件表面钝化膜；

5、s3三段梯度氮化：依次进行强渗处理、一级扩散处理与二级扩散处理，强渗段温度550℃、保温10h、氨分解率57.5%~60.4%，一级扩散段温度580℃、保温15h、氨分解率62.5%~65.5%，二级扩散段温度600℃、保温10h、氨分解率67.5%~72.4%，全过程采用氮势kn闭环调控，三阶段氮势分别控制为1.3~1.5、1.0~1.2、0.7~0.9；

6、s4保护缓冷：氮化结束后持续通入氨气保护，随炉降温至150℃以下后出炉；

7、s5渗后真空扩散回火：将零部件置于真空回火炉中，在600℃下保温3~5h，控制真空度低于10pa，保温结束后采用氩气强制快冷。

8、通过喷砂后氩气密封暂存的管控措施，最大限度减少新鲜基体与空气的接触时间，从源头抑制次生氧化铬钝化膜的生成速率，再配合炉内升温阶段的氯化铵原位活化工序，利用氯化铵升温分解产生的氯化氢气体与工件表面的氧化铬发生化学反应，生成可随炉气排出的挥发性氯化物，彻底清除喷砂残留及转运再生的钝化膜层，裸露具有高活性的新鲜金属界面，为氮原子的吸附与扩散扫清界面障碍，从渗氮初始阶段保障氮原子的有效渗入效率，避免界面钝化层阻滞带来的渗层深度不足、硬度分布不均的问题。同时，依据渗氮过程中氮原子的扩散行为规律设置三段梯度氮化工艺，结合全流程氮势闭环调控，在强渗阶段维持较高氮势以快速在工件表层形成氮化物富集层，为后续扩散提供充足的氮源，在两级扩散阶段逐步降低氮势，驱动氮原子持续向基体内部平稳迁移，避免表层氮浓度过高形成连续网状脆性氮化物，再通过渗后的真空回火处理，在真空环境下通过高温保温促使氮化组织充分均匀化，有效释放渗层内部积累的组织应力与热应力，改善渗层与基体的结合状态，降低渗层脆性，最终获得组织致密、性能均匀、结合可靠的氮化硬化层。

9、进一步地，所述s1中，超声波脱脂采用6槽式分级清洗流程，依次经碱性除油槽、纯水漂洗槽、丙酮精洗槽进行超声波清洗，单槽清洗时长为15min，清洗完成后在120℃下烘干30min，烘干后采用无尘纸承接转运，全程禁止裸手接触待渗工作面。

10、采用多槽分级递进的清洗方式，通过不同功能的清洗介质逐级脱除工件表面的切削油污、固体颗粒与微量有机残留，避免单一清洗介质易引发的污染物交叉残留问题，确保工件表面洁净度达到氮化处理的界面要求，防止油污杂质在高温氮化过程中分解污染炉内气氛，或是附着在工件表面阻碍氮原子的均匀渗入。采用无尘承接与无裸手接触的转运管控，可避免外界粉尘杂质二次粘附待渗表面，同时防止人体分泌的油脂与盐分在高温下造成工件表面腐蚀缺陷，保障渗氮区域与防渗区域的界面质量。

11、进一步地，所述s2中，无水氯化铵与石英砂的质量配比为1:3，混合活化剂分装于透气不锈钢布袋中，均匀悬挂在炉腔下部气流循环区域，活化剂布袋与零部件的间距不小于10mm，所用无水氯化铵含水量≤0.5%，单次使用后全部废弃，不进行回收复用。

12、按比例混入石英砂可对氯化铵颗粒起到分散稀释作用，避免氯化铵局部堆积导致的分解速率不均、局部气氛浓度过高的问题，保障炉内活化气氛均匀分布在整个炉膛空间。采用透气布袋分装并悬挂于气流循环区的设置，可借助炉内循环气流带动活化气氛充分流经工件的各个表面，实现全方位的钝化膜清除效果，同时避免活化剂直接接触工件造成局部过腐蚀，保障工件的表面粗糙度与尺寸精度不受活化过程影响。严格控制氯化铵含水量并执行单次废弃规则，可防止水分被带入炉内引发工件氧化，同时避免失活的活化残渣残留炉内，影响后续炉次的氮化气氛稳定性。

13、进一步地，所述s2的阶梯升温过程中，先以50℃/h的升温速率升至300℃并保温30min进行预排湿，再以80℃/h的升温速率升至350℃进入恒温活化阶段，升温全程维持炉内微正压氨气氛围，控制炉内残氧含量低于0.1%。

14、通过中温预排湿保温步骤，可在活化反应开始前充分脱除工件表面及炉腔内部吸附的微量水分，避免升温过程中水分与合金元素发生氧化反应生成新的钝化层，保障活化处理的实际效果。全程维持微正压的氨气氛围，可阻止外界空气反向渗入炉腔，将炉内残氧含量控制在极低水平，从源头减少铬元素的氧化倾向，与活化反应过程形成协同作用，在破除原有钝化膜的同时防止新钝化膜生成，持续维持基体表面的活性状态。

15、进一步地，所述s3的三段氮化过程中，采用负载热电偶贴合工件表面进行实时控温，相邻阶段转换时设置30min的温度过渡段，过渡段内同步调整氨分解率，实现温度与氮势的同步梯度切换。

16、在渗氮阶段切换时设置温度与氨分解率的同步过渡过程，可避免工艺参数的突变导致渗层内部氮浓度分布出现阶跃式波动，防止因扩散行为骤变引发的组织分层与内应力集中，保障渗层组织沿深度方向连续均匀过渡，提升渗层整体力学性能的一致性与结合可靠性。采用负载热电偶贴合工件控温，可精准获取工件实际温度，补偿炉气温度与工件温度的滞后偏差，确保工艺参数精准作用于工件本体。

17、进一步地，所述s4的保护缓冷过程中，降温速率控制在80℃/h以内，当炉温降至400℃以下时，逐步降低氨气通入流量，仅维持炉内正压保护状态，直至降温至出炉温度。

18、采用梯度调整氨气流量的缓冷方式，既可以在高温阶段维持足够的保护气氛浓度，防止高温下工件表面重新氧化生成钝化膜，保障渗层表面质量，又能在低温阶段降低氨气消耗量，避免过量氨气在低温工件表面吸附分解形成多余的脆性氮化物。控制降温速率可减少冷却过程中工件内部产生的热应力，降低复杂结构零部件的变形风险，保障工件的尺寸精度。

19、进一步地，所述s5渗后真空扩散回火过程中，采用分段升温模式，先以100℃/h的速率升至400℃并保温60min进行组织均匀化，再升温至600℃进入保温阶段，保温结束后先以氩气缓冷至400℃，再转为强制快冷，降低冷却应力，改善组织提高韧性。

20、分段升温与分级冷却的回火工艺设置，可通过中温保温阶段促使工件整体温度均匀一致，避免直接快速升温引发的截面温差应力，同时让基体组织提前进入稳定化状态，为后续高温回火的组织调整做好准备。分级冷却的方式可在高温阶段通过缓慢冷却让组织转变充分进行，再通过强制快冷提升回火效率，避免长时间缓冷导致的心部强度下降，在消除渗层应力的同时，保障工件心部的力学性能满足航空零部件的承载要求。

21、进一步地，零部件在执行s1前置预处理前，先进行前置固溶时效处理：在1060~1080℃下固溶保温2~3h后油冷至室温，再经600~620℃时效保温4~6h后空冷，获得均匀回火马氏体基体组织后再进入氮化工序。

22、在氮化前增加前置固溶时效预处理，可使基体中的合金元素充分固溶并均匀析出，获得组织均匀、性能稳定的回火马氏体基体，一方面可减少基体中粗大碳化物对氮原子扩散的阻碍作用，提升氮原子在基体内部扩散的均匀性，另一方面可提高基体自身的强度与硬度基线，增强渗层与基体的结合承载能力，避免氮化过程中基体发生回火软化导致的渗层脱落风险，保障零部件整体力学性能的匹配性。

23、进一步地，工艺全过程满足ams2750h测温管控要求，炉体等级不低于class3，测温仪表等级不低于classd，采用n型热电偶进行温度检测，每支热电偶附带修正系数录入控温系统，每6个月校准一次。

24、采用符合航空航天热处理规范的测温管控体系，通过热电偶修正系数与定期校准机制，保障炉温检测与控制的精度准确性，配合周期性的系统精度测试与炉温均匀性调查，可确保每炉次的氮化工艺参数稳定复现，避免因炉温偏差导致的渗层性能波动，保障批量生产过程中产品质量的一致性与稳定性，满足航空零部件的质量追溯与合规性要求。

25、进一步地，所述航空零部件为低压涡轮轴颈、压气机轴、高温螺栓、水平安装节球座、侧安装吊点或主安装节球窝安装座中的任意一种。

26、该工艺可适配多种结构形式与服役工况的航空关键零部件，针对轴类、螺栓类、安装座类等不同截面特征与结构复杂度的构件，均可通过统一的工艺路线获得稳定合格的氮化渗层，具备良好的工艺通用性与场景适配性，可广泛应用于航空发动机、燃气轮机转子系统及安装结构中的各类耐磨、承载关键部件。

27、与现有技术相比，本发明提供了一种航空高铬热强不锈钢航空零部件氮化处理工艺，具备以下有益效果：

28、本发明采用喷砂预处理后密封暂存、配合炉内原位活化的工艺设置，在升温阶段通过氯化铵分解产物破除工件表面再生的氧化铬钝化膜，打通氮原子渗入通道，有效提升渗氮效率，保障渗层深度与表面硬度的均匀稳定性。

29、本发明通过三段梯度氮化过程中氮势的精准闭环调控，匹配不同渗氮阶段的氮原子扩散需求，同时采用与氮化组织特性相适配的渗后真空回火工序，充分消除氮化过程产生的组织应力，降低渗层脆性，提升渗层组织均匀性与结合强度，满足航空关键零部件的高性能使用要求。