一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法

本发明属于钛合金材料表面工程与表面改性，具体涉及一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法。

背景技术：

1、钛合金具有低密度、高比强度、优异耐腐蚀性能以及良好的综合力学性能，被广泛应用于航空航天、能源装备以及高端机械制造领域。然而，由于钛合金自身硬度较低、摩擦系数较高以及耐磨性能不足，在长期服役过程中容易发生黏着磨损、磨粒磨损以及表面疲劳损伤，限制了其在高可靠性摩擦部件中的进一步应用。

2、目前，提高钛合金表面性能的方法主要包括物理气相沉积、激光处理、离子注入、渗氮以及喷丸强化等。其中，低温等离子渗氮能够在钛合金表面形成tin、ti2n等硬质氮化物，提高表面硬度和耐磨性能。然而，由于钛合金表面扩散能力有限，在较低温度条件下氮元素扩散速率较慢，导致强化层厚度不足，难以满足长期服役需求。

3、离子注入技术能够通过高能离子束将特定元素引入材料表层，实现表面成分调控。其中，稀土元素la具有较强的表面活化作用和组织调控能力，可改善材料表层结构状态，并促进后续热化学处理过程。但是，传统离子注入过程中，由于材料表层结构相对稳定，离子进入深度和元素扩散范围受到限制，单独采用离子注入与渗氮结合仍存在强化层厚度不足的问题。

4、喷丸强化是一种通过机械冲击改变材料表层组织状态的有效方法，可在材料表面形成塑性变形层，提高位错密度、晶界数量以及残余压应力。然而，目前喷丸技术主要用于提高材料疲劳性能和表面硬度，其作为离子注入过程辅助强化手段的作用尚未得到充分利用。

5、因此，如何利用喷丸产生的表面活化效应促进稀土元素注入，并进一步发挥稀土元素与缺陷结构对氮扩散过程的协同促进作用，在低温条件下获得厚度大、结合性能好的强化层，是钛合金表面强化领域亟需解决的问题。

6、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决如何结合机械强化、元素调控以及热化学强化等多种表面改性方法，在较低温度条件下获得厚度大、硬度高、结合性能良好的钛合金表面强化层的问题，提供了一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，包括以下步骤：

3、s1，将钛合金材料打磨后抛光，在丙酮或酒精溶液中清洗干净；

4、s2，将经过步骤s1处理后的钛合金材料夹在工装上，喷丸后得到表面塑性变形的钛合金试样；

5、s3，将步骤s2中得到的表面塑性变形的钛合金试样打磨抛光至镜面后清洗干净，放入离子注入设备中，选择ti-la靶材，进行离子注入处理；

6、s4，将经过步骤s3中离子注入处理后的钛合金试样在丙酮或酒精溶液中清洗干净，置于等离子体渗氮炉中，抽真空，接通电压，通入氨气，渗氮处理，随炉冷却至室温25℃后得到钛合金表面喷丸-离子注入-低温等离子渗氮复合强化层。

7、所述步骤s1中，钛合金为α+β型钛合金，所述α+β型钛合金包括tc4、tc11。

8、所述步骤s2中，喷丸处理具体过程如下：将钛合金材料夹在工装上后，利用弧高仪预先设置almen强度，调整工装与喷丸枪口的水平距离为120 mm、选用喷丸丸料为azb425陶瓷丸、枪口的入射角度为90°、流量为3 kg/min、喷丸枪口的压力为0.25~0.50 mpa，喷丸时间80 s，使钛合金近表层形成塑性变形层，并引入位错、晶体缺陷以及残余压应力，提高表层结构活性。喷丸处理形成的塑性变形层和晶体缺陷结构用于促进la离子注入，提高la元素在钛合金表层中的扩散和稳定分布。

9、设置所述almen强度采用的是a型试片。

10、所述步骤s3中，ti-la靶材中la的占比为1wt.%。

11、所述步骤s3中，离子注入处理时la离子注入的剂量为1×1015~1×1017 ions/cm2。

12、所述步骤s3中，离子注入处理时需抽进行抽真空处理，将气压降至1×10-4~5×10-4pa范围内。

13、所述步骤s4中，电压为600~700 v。

14、所述步骤s4中，氨气的通入量0.4~0.6 m3/h。

15、所述步骤s4中，渗氮处理具体条件如下：渗氮温度为550~650 ℃，渗氮时间为10~20 h，炉内气压为200~250 pa。

16、本发明提出的这种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，通过喷丸诱导表层结构活化，提高la元素注入效率，并利用la元素与喷丸缺陷结构共同促进氮元素扩散，实现钛合金表面硬度、强化层厚度及常温耐磨性能的同步提升。

17、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

18、1、本发明区别于传统“离子注入+渗氮”的复合处理方法，引入喷丸作为la离子注入的协同强化步骤。喷丸处理不仅改善钛合金表面力学性能，而且通过产生塑性变形层、高密度位错和晶体缺陷，提高材料表层活性，为la离子的有效进入提供更多扩散通道，实现喷丸与la离子注入之间的协同作用。

19、2、本发明利用喷丸诱导缺陷结构促进la元素在钛合金近表层中的分布，同时la元素进一步调控表层扩散行为，使喷丸产生的机械活化效应与稀土元素调控作用相互促进，从而增强后续低温等离子渗氮过程中氮元素的吸附、迁移和扩散能力。

20、3、本发明通过喷丸、la离子注入以及低温等离子渗氮三种技术的协同作用，在低温条件下即可形成具有较高硬度和较厚厚度的复合强化层，降低了传统高温渗氮过程中可能造成的基体组织变化和性能退化风险。

21、4、本发明制备的强化层具有良好的梯度结构和界面结合性能，在摩擦磨损过程中不易发生剥落失效，可显著降低钛合金在大气常温环境下的磨损率，提高零部件服役寿命。

22、5、本发明工艺流程简单，适用范围广，通过调控喷丸参数、la离子注入参数以及低温渗氮参数，可实现钛合金表面性能的定向调控，适用于航空航天及高可靠性装备中钛合金零部件的表面强化。

1.一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s1中，钛合金为α+β型钛合金，所述α+β型钛合金包括tc4、tc11。

3.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s2中，喷丸处理具体过程如下：将钛合金材料夹在工装上后，利用弧高仪预先设置almen强度，调整工装与喷丸枪口的水平距离为120 mm、选用喷丸丸料为azb425陶瓷丸、枪口的入射角度为90°、流量为3 kg/min、喷丸枪口的压力为0.25~0.50 mpa，喷丸时间为80 s，使钛合金近表层形成塑性变形层，并引入位错、晶体缺陷以及残余压应力，提高表层结构活性。

4.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，设置所述almen强度采用的是a型试片。

5.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s3中，ti-la靶材中la的占比为1wt.%。

6.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s3中，离子注入处理时la离子注入的剂量为1×1015~1×1017 ions/cm2。

7.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s3中，离子注入处理时需抽进行抽真空处理，将气压降至1×10-4~5×10-4pa范围内。

8.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s4中，电压为600~700 v。

9.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s4中，氨气的通入量0.4~0.6 m3/h。

10.如权利要求1所述的一种喷丸预处理协同稀土离子注入加速低温等离子渗氮的钛合金表面强化方法，其特征在于，所述步骤s4中，渗氮处理具体条件如下：渗氮温度为550~650 ℃，渗氮时间为10~20 h，炉内气压为200~250 pa。