本發(fā)明涉及一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法，屬于鈦合金滲氮技術領域。

背景技術：

在金屬熔體凝固過程中通過施加超聲外場來改變金屬凝固進程并對凝固組織進行調控是功率超聲處理技術的一項新的應用。通過超聲外場，達到細化晶粒、熔體凈化、弱化合金元素富集，改善溶質元素偏析、增大合金元素固溶度，改變二次相分布等效果。但在金屬熔體鑄造過程中，由于伴隨超聲外場所引起的空化效應以及高溫熔體自身的高溫擴散和化學腐蝕等一系列影響，造成輻射桿的壽命難以滿足生產(chǎn)要求，嚴重制約了超聲波在鑄造領域推廣。研究表明不同系列的鋼、鈦及鈦合金、鈮及鈮合金、鉬、鉻以及鉭，這些材料制成的輻射桿在進行超聲鑄造時都會被侵蝕，從而影響了超聲傳遞的穩(wěn)定性，降低了超聲波的作用效果。因此，針對金屬熔體鑄造過程中，輻射桿在熔體中的抗腐蝕防護顯得尤為必要。

一般而言，通過表面處理，以達到改變材料表面的組織形態(tài)或產(chǎn)生一種新的化學層從而得到所需的性能要求。針對鋁熔體超聲鑄造過程中鈦合金輻射桿的表面處理，可分為添加金屬元素與非金屬元素兩種表面處理方式。由于高溫熔體腐蝕以及空蝕的存在，導致鈦合金輻射桿材料會進入鋁熔體中，而大多數(shù)的金屬材料會對熔體產(chǎn)生二次污染，嚴重影響了產(chǎn)品質量，因此高溫熔體鑄造過程中的抗空蝕材料一般考慮添加非金屬元素的表面處理方式。碳、氮作為常見的非金屬元素，其成本低廉且其方法簡單實用，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)滲碳、氮處理后，碳、氮會與材料表面形成一個碳、氮化物滲層，該滲層能顯著提高材料表面硬度與耐磨性。而滲氮處理較滲碳處理而言，其在鋁熔體中抗腐蝕性能更強。目前常見的滲氮方法包括等離子滲氮、激光滲氮、氣體滲氮等。其中又以等離子滲氮、激光滲氮都具有滲氮速度塊，節(jié)約能源、等優(yōu)點，但激光滲氮對工件熱變形影響較大，導致會改變工件的初始尺寸，此外由于鈦合金表面與氮氣的活化均需要較高的溫度，常規(guī)的等離子滲氮雖然能處理大型鋼性工件但是不能處理大型的鈦合金，因此針對鋁熔體超聲鑄造用鈦合金輻射桿，要考慮到超聲傳導以及空間分布，對鈦合金輻射桿尺寸大小具有嚴格要求，氣體滲氮雖然時間較長，但該工藝操作簡單且易處理大型工件，因此本發(fā)明在傳統(tǒng)的氣體滲氮工藝過程中輔助超聲能場使得待處理工件在高溫高壓氮氣爐內(nèi)高頻振動下進行滲氮過程。用該方法來處理鈦合金輻射桿，高效且簡單實用，表面生成的硬質層更為致密，大幅提高滲氮后的表面材料性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服原材料鈦合金輻射桿在鋁合金鑄造過程中壽命低，同時改進傳統(tǒng)氣體滲氮時間長、效率低等問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法，該方法包括鈦合金輻射桿、變幅桿、壓電陶瓷、超聲電源、真空燒結爐；所述鈦合金輻射桿、變幅桿、壓電陶瓷按順序連接成一個整體；所述變幅桿的振動零位與真空燒結爐通過法蘭盤固定在一起，并且采用高壓密封圈進行密封，其中輻射桿與變幅桿連接部分分布在爐內(nèi)，而壓電陶瓷與變幅桿連接部分以及超聲電源系統(tǒng)分布在爐外。

先用研磨機將鈦合金輻射桿端面研磨，研磨砂紙精度為2000目，研磨后得到表面粗糙度約為0.25μm左右；將爐內(nèi)空氣抽凈，然后再以10℃/min升溫至300℃，保溫30min，此過程是為了祛除爐內(nèi)的水蒸氣等雜質；關閉抽氣裝置，開始沖入氮氣，直至其壓強達到正相壓0.08Mpa左右(保證有充足的氮源)；因TC4鈦合金相變溫度約為950℃左右，而氮氣化學性質比較穩(wěn)定，在900℃與鈦合金反應并不明顯，滲層很??；而在1100℃時由于相變，其微觀組織已經(jīng)大幅度改變；特設置1000℃溫度線；然后以10℃/min升溫至1000℃，同時啟動超聲電源，使輻射桿在爐內(nèi)產(chǎn)生高頻超聲振動，通過高溫保溫過程，使鈦合金與氮發(fā)生反應，生成TiN、Ti₂N等化合產(chǎn)物，形成硬質層；保溫5小時后關閉加熱裝置，隨爐冷卻，完成滲氮過程。

更進一步地，所述鋁合金鑄造過程中用鈦合金輻射桿也可以更換成其他用途的鈦合金桿。

更進一步地，所述變幅桿可設計為單個變幅桿也可分為一級變幅桿、二級變幅桿甚至二級以上，且多級變幅桿之間可采用整體設計也可采用螺紋連接。

更進一步地，所述真空燒結爐與變幅桿的固定安裝位可以是在爐門中間，也可以是爐體其他方便開孔的位置；將變幅桿的振動零位通過法蘭盤與爐體固定，且采用高壓密封圈進行密封。

采用本發(fā)明技術方案所能達到的積極效果：由于本發(fā)明是在傳統(tǒng)的滲氮過程中引入超聲能場，使得鈦合金輻射桿在高頻振動的同時進行滲氮防護處理，通過超聲振動的正負壓強交變周期使得待處理工件產(chǎn)生交變周期的擠壓與拉伸；在正相位時，對材料分子產(chǎn)生擠壓，增加原來的密度；負相位時，材料分子稀疏、離散，介質密度減小，工件材料表面的交變應力場和材料面密度的密疏交變可以大幅促進氮分子與鈦合金的滲透反應；同時輻射桿產(chǎn)生的超聲波能場可以將輻射桿周圍的氮氣分子激活，進一步促進其與鈦合金表面的滲透反應。通過提高滲氮深度和效率，同時使得滲氮層更為致密，進而增強工件表面滲氮后的整體性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

圖2是輻射桿在1000℃下保溫傳統(tǒng)滲氮5小時與超聲滲氮5小時表層XRD對比圖。

圖3是傳統(tǒng)滲氮與超聲滲氮處理后輻射桿端面顯微硬度對比圖。

圖4是輻射桿滲氮處理后，高溫鋁液腐蝕12h后對比圖：a、無超聲滲氮處理，b、有超聲滲氮處理。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的一種鋁合金鑄造用鈦合金輻射桿的超聲滲氮防護方法，包括鈦合金輻射桿1、變幅桿(一級變幅桿7、二級變幅桿2)、壓電陶瓷8、超聲電源9；所述鈦合金輻射桿1、變幅桿(一級變幅桿7、二級變幅桿2)、壓電陶瓷8按順序連接(或設計)成一個整體；所述變幅桿的振動零位與真空燒結爐的爐門3窗口位置通過法蘭盤5固定在一起，并且采用高壓密封圈4進行密封，其中輻射桿1與變幅桿連接部分分布在爐內(nèi)工作區(qū)域10，而壓電陶瓷8與變幅桿連接部分以及超聲電源9系統(tǒng)分布在爐外。

具體實施過程為：先用研磨機將鈦合金輻射桿1端面研磨，研磨砂紙精度為2000目，研磨后得到表面粗糙度約為0.25μm左右；然后將鈦合金輻射桿1、變幅桿(一級變幅桿7、二級變幅桿2)按圖1所示穿過真空燒結爐的爐門3觀察窗，通過法蘭盤5、緊固螺栓6將變幅桿的振動零位固定在爐門3觀察窗中間，并用高壓密封圈4密封，然后關閉爐門。將爐內(nèi)空氣抽凈，然后再以10℃/min升溫至300℃，保溫30min，此過程是為了祛除爐內(nèi)的水蒸氣等雜質；關閉抽氣裝置，開始沖入氮氣，直至其壓強達到正相壓0.08Mpa左右(保證有充足的氮源)；因TC4鈦合金相變溫度約為950℃左右，而氮氣化學性質比較穩(wěn)定，在900℃與鈦合金反應并不明顯，滲層很??；而在1100℃時由于相變，其微觀組織已經(jīng)大幅度改變；特設置1000℃溫度線；然后以10℃/min升溫至1000℃，同時啟動超聲電源，使輻射桿在爐內(nèi)產(chǎn)生高頻超聲振動，通過高溫保溫過程，使鈦合金與氮發(fā)生反應，生成TiN、Ti₂N等化合產(chǎn)物，形成硬質層；保溫5小時后關閉加熱裝置，隨爐冷卻，完成滲氮過程。

圖2是鈦合金輻射桿在1000℃下保溫無超聲傳統(tǒng)滲氮5小時與超聲滲氮5小時表層XRD對比圖，鈦合金輻射桿樣品經(jīng)滲氮處理后，表面物相主要包括Ti、TiN、Ti₂N等物質。在無超聲振動傳統(tǒng)滲氮條件下，有少量Ti₃Al₂N₂相；而在有超聲振動條件下并未發(fā)現(xiàn)Ti₃Al₂N₂相，說明有超聲振動下的滲氮反應更為充分。

圖3是傳統(tǒng)滲氮與超聲滲氮處理后輻射桿端面顯微硬度對比圖，從圖上數(shù)據(jù)可以看出超聲滲氮后鈦合金輻射桿表面顯微硬度明顯的高于無超聲輔助下的傳統(tǒng)滲氮工藝，說明超聲滲氮條件下輻射桿表面的滲氮層更為致密，其滲氮深度也明顯更深。

鋁合金超聲鑄造實驗：將輻射桿組裝在超聲振動系統(tǒng)上后放入鋁合金高溫熔體中進行超聲實驗，對比無超聲輔助下和有超聲振動下的滲氮工藝處理5小時后的鈦合金變幅桿腐蝕情況，實驗時長為10小時，實驗過后清理輻射桿表面鋁液，進行端面對比，其中本發(fā)明后鈦合金輻射桿端面坑洞數(shù)量約為24個，最大坑洞直徑約為3.0mm，最大坑深約為3.2mm；而無超聲滲氮處理下的鈦合金輻射桿端面坑洞數(shù)量約為55，最大坑洞直徑約為5.5mm，最大坑深約為7.0mm。圖4是輻射桿滲氮處理后，高溫鋁液腐蝕10小時后對比圖：a、無超聲滲氮處理，b、有超聲滲氮處理；對比本發(fā)明處理后的鈦合金輻射桿，其壽命延長約為傳統(tǒng)工藝下的2.3倍。

從上述實施例中的圖譜或圖片可知,通過本發(fā)明對鈦合金輻射桿處理后，可在其鈦合金工件的表面上形成一層更為致密、高硬度、耐腐蝕及耐磨損的氮化層。因此，通過本發(fā)明處理的工件的表面質量大大好于采用無超聲振動下的傳統(tǒng)滲氮處理的工件表面質量。