权利要求
1.一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：该处理方法所使用的设备为双层辉光离子渗金属热处理炉，热处理炉包括炉底盘和罩形炉体，热处理炉上连接有开合装置、电源系统、气氛系统、辉光装置以及冷却系统;
处理方法包括如下步骤：
S1 将铸态TC4棒材加工为TC4圆管;
S2 设备安装：通过热处理炉上设置的开合装置将炉体打开，然后将带孔长管均匀吊装在炉内的源极平台上;
S3 样品表面清洗及刷涂料：先后用丙酮和酒精擦拭TC4圆管样品内壁并吹干，然后对TC4圆管样品外壁进行清洗、涂抹防渗涂料;
S4 抽真空：将上述处理后的TC4圆管样品放入热处理炉中;打开电源，并启动气氛系统，使
真空泵对炉内进行抽真空直至真空压强<1Pa，打开水冷开关;
S5 升温：设定电压为750V，炉内TC4圆管样品逐渐升温，等待加热至50℃时，气氛系统的气体开关自动打开，通氩气，当温度上升至60℃时，设定气压为200Pa;等待至炉内气压无法上升且样品温度上升缓慢时，同时通氩气和氮气，使得炉内N2：Ar=3:1;随后调整控制输出旋钮以改变升温速率，调整温度直至样品温度为900℃±15℃;
S6 双辉离子渗氮：①稳定运行时设备参数：辉光系统的源极电压750V，压强200Pa，N2：Ar=3:1;源极控制输出为27.6%、电流30A;阴极控制输出为50.7%、电流24A;②双辉离子渗氮运行时间：TC4圆管样品表面升至900℃时，开始计时8小时;
S7 冷却：①运行至所需时间后，源极、阴极两边电压归0，气体流量归0，控制输出旋钮调至最小;②等气压抽至100Pa时，关闭真空泵，保持冷却水流通，直至样品随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：所述TC4圆管，化学元素质量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，Fe：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余为杂质。
3.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：冷却完成后，进行取样、清洗和检测步骤，具体如下：
S8 取样：降温完成后，打开破真空阀，使炉内气压与大气压强一致，关闭冷却水，打开炉体，取出样品;
S9 清洗：取出TC4圆管样品，使用清水清洗、擦掉表面专用防渗涂料;
S10 检测、分析、表征：对TC4圆管样品内壁形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测以及分析、表征;采用金相显微镜进行金相组织分析;采用维氏硬度计进行硬度分析。
4.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：将铸态TC4棒材经车、镗和锯的加工方式，加工为外直径60mm、内直径30mm、长1100mm的TC4圆管。
5.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：步骤S2设备安装中，准备提前定制的圆管套筒，将圆管套筒放在炉内的阴极平台上。
6.如权利要求5所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：步骤S4中，将处理后的TC4圆管样品放入热处理炉中的圆管套筒中，使用样品固定环与圆管套筒配合，以固定TC4圆管样品。
7.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：所述电源系统包括50A电源和75A电源，与电源配套的50A稳压器、75A稳压器分别通过电线连接在热处理炉内。
8.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：气氛系统包括真空泵、高纯氩气瓶和高纯氮气瓶，真空泵上设有真空泵出气口，真空泵与热处理炉之间设有真空泵连接管，真空泵连接管上设有破真空旋钮，炉体通过通气软管与不同气瓶连通。
9.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：所述辉光装置包括位于炉内的源极平台和阴极平台，源极平台与50A电源电线连接;阴极平台与75A电源电线连接。
10.如权利要求1所述的一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，其特征在于：热处理炉上设有连通至炉内的观察孔、冷却水入口和冷却水出水管;
热处理炉上还设有测温仪，用于测量炉内样品的实时表面温度。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料及其加工技术领域，特别涉及一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法。
背景技术
[0002]钛及钛合金因其优异的强度重量比和良好的耐腐蚀性，在航空、航天、军工等领域得到了广泛应用。然而，随着现代工业的快速发展，不同领域下的重要部件对钛合金耐磨性和使用寿命提出了更高的要求。
[0003]传统的表面处理技术，如热喷涂、磁控溅射及激光熔覆等，尽管能在一定程度上改善钛合金的表面性能，但普遍存在着涂层稳定性不足、易脱落或开裂、以及处理成本高昂等问题，难以满足当前工业界对高质量、长寿命耐磨涂层的迫切需求。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，对TC4圆管内壁表面进行等离子渗氮处理形成渗氮耐磨涂层，以提高TC4钛合金轴筒类零件的耐磨性。
[0005]为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，该处理方法所使用的设备为双层辉光离子渗金属热处理炉，热处理炉包括炉底盘和罩形炉体，热处理炉上连接有开合装置、电源系统、气氛系统、辉光装置以及冷却系统;
处理方法包括如下步骤：
S1 将铸态TC4棒材加工为TC4圆管;
S2 设备安装：通过热处理炉上设置的开合装置将炉体打开，然后将带孔长管均匀吊装在炉内的源极平台上;
S3 样品表面清洗及刷涂料：先后用丙酮和酒精擦拭TC4圆管样品内壁并吹干，然后对TC4圆管样品外壁进行清洗、涂抹防渗涂料;
S4 抽真空：将上述处理后的TC4圆管样品放入热处理炉中;打开电源，并启动气氛系统，使真空泵对炉内进行抽真空直至真空压强<1Pa，打开水冷开关;
S5 升温：设定电压为750V，炉内TC4圆管样品逐渐升温，等待加热至50℃时，气氛系统的气体开关自动打开，通氩气，当温度上升至60℃时，设定气压为200Pa;等待至炉内气压无法上升且样品温度上升较慢时，同时通氩气和氮气，使得炉内N2：Ar=3:1;随后调整控制输出旋钮以改变升温速率，调整温度直至样品温度为900℃±15℃;
S6 双辉离子渗氮：①稳定运行时设备参数：辉光系统的源极电压750V，压强200Pa，N2：Ar=3:1;源极控制输出为27.6%、电流30A;阴极控制输出为50.7%、电流24A;②双辉离子渗氮运行时间：TC4圆管样品表面升至900℃时，开始计时8小时;
S7 冷却：①运行至所需时间后，源极、阴极两边电压归0，气体流量归0，控制输出旋钮调至最小;②等气压抽至100Pa时，关闭真空泵，保持冷却水流通，直至样品随炉冷却至室温。
[0006]进一步，所述TC4圆管，化学元素质量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，Fe：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余为杂质。
[0007]进一步，冷却完成后，进行取样、清洗和检测步骤，具体如下：
S8 取样：降温完成后，打开破真空阀，使炉内气压与大气压强一致，关闭冷却水，打开炉体，取出样品;
S9 清洗：取出TC4圆管样品，使用清水清洗、擦掉表面专用防渗涂料;
S10 检测、分析、表征：对TC4圆管样品内壁形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测以及分析、表征;采用金相显微镜进行金相组织分析;采用维氏硬度计进行硬度分析。
[0008]进一步，将铸态TC4棒材经车、镗和锯的加工方式，加工为外直径60mm、内直径30mm、长1100mm的TC4圆管。
[0009]进一步，步骤S2设备安装中，准备提前定制的圆管套筒，将圆管套筒放在炉内的阴极平台上。
[0010]进一步，步骤S4中，将处理后的TC4圆管样品放入热处理炉中的圆管套筒中，使用样品固定环与圆管套筒配合，以固定TC4圆管样品。
[0011]进一步，所述电源系统包括50A电源和75A电源，与电源配套的50A稳压器、75A稳压器分别通过电线连接在热处理炉内。
[0012]进一步，气氛系统包括真空泵、高纯氩气瓶和高纯氮气瓶，真空泵上设有真空泵出气口，真空泵与热处理炉之间设有真空泵连接管，真空泵连接管上设有破真空旋钮，炉体通过通气软管与不同气瓶连通。
[0013]进一步，所述辉光装置包括位于炉内的源极平台和阴极平台，源极平台与50A电源电线连接;阴极平台与75A电源电线连接。
[0014]进一步，热处理炉上设有连通至炉内的观察孔、冷却水入口和冷却水出水管;
热处理炉上还设有测温仪，用于测量炉内样品的实时表面温度。
[0015]采用上述方案后，本发明的有益效果在于：
本发明对钛合金圆管内壁表面进行双辉等离子渗氮处理，制得内壁带有渗氮层的TC4圆管，显著提高了TC4钛合金圆管内壁的硬度及耐磨性，延长了零件的使用寿命，满足了现代工业对高耐磨性部件的迫切需求。
[0016]经清洗、烘干、抽真空、双辉等离子渗氮、随炉冷却，并且通过精确控制升温速率、气体比例及渗氮时间等参数，实现了对渗氮层厚度和性能的精确调控，确保了处理效果的稳定性和可重复性。所制得的TC4圆管样品经检测，其内壁的渗氮层金相组织与基体结合紧密，脱落风险小且层厚较厚可达17±1µm，平均硬度高达713.04HV，可达基体硬度的2.2倍。
[0017]此外，在渗碳处理前，通过对样品表面进行清洗，确保了TC4圆管内壁的清洁度，有效防止了渗氮过程中的杂质污染，提高了渗氮层的质量，并且对样品外壁进行刷防渗涂料处理，以保护非渗氮区域。
附图说明
[0018]图1是本发明双辉等离子渗氮处理使用的设备结构图;
图2是本发明制得的TC4圆管样品内壁的金相显微组织形貌图;
图3是本发明制得的TC4圆管样品内壁的硬度性能图。
[0019]附图标记说明：
1、高纯氩气瓶;2、高纯氮气瓶;3、控制输出显示屏;4、气体压力控制显示屏;5、温度控制显示屏;6、氮气流量显示屏;7、氩气流量显示屏;8、电流指示表;9、电压指示表;10、启动控制屏;11、50A电源;12、50A稳压器;13、通气软管;
14、电线;15、真空泵连接管;16、真空泵;17、75A稳压器;18、75A电源;19、控制输出旋钮;20、电流显示屏;21、电压微调旋钮;22、氮气气流控制旋钮;23、电压控制旋钮;24、电压指示灯;25、氩气气流控制旋钮;26、真空泵出气口;27、冷却水入口;28、测温热电偶;29、炉体;30、带孔长管;31、圆管套筒;32、TC4圆管样品;33、源极平台;34、丝杠螺母;35、丝杠;36、阴极平台;37、样品固定环;38、观察孔;39、冷却水出水管;40、液压升降系统;41、测温仪;42、红外线;43、破真空旋钮。
具体实施方式
[0020]以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。
[0021]本实施例提供一种钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法，处理的对象为TC4钛合金，化学元素质量占比 (wt%)：Al：6.01，V：3.84，Fe：0.30，C：0.10，N：0.05，O：0.20，H：0.015，Ti：89，其余为杂质。
[0022]该处理方法所使用的设备为双层辉光离子渗金属热处理炉，如图1所示，热处理炉包括炉底盘和罩形炉体29，炉体29上设有连通至炉内的观察孔38、冷却水入口27和冷却水出水管39，其冷却水从自来水管流入经过炉壁降温后排出，形成冷却系统。热处理炉上还连接有开合装置、电源系统、气氛系统以及辉光装置。
[0023]开合装置包括液压升降系统40和丝杠传动机构，液压升降系统40提供动力支持，而丝杠35与丝杠螺母34则通过精密配合，实现炉体29的打开和关闭。
[0024]电源系统包括50A电源11和75A电源18，与电源配套的50A稳压器12、75A稳压器17分别通过电线14连接在热处理炉内。这里，电源系统上设有控制输出显示屏3、气体压力控制显示屏4、温度控制显示屏5、氮气流量显示屏6、氩气流量显示屏7、电流指示表8、电压指示表9、启动控制屏10、控制输出旋钮19、电流显示屏20、电压微调旋钮21、氮气气流控制旋钮22、电压控制旋钮23、电压指示灯24和氩气气流控制旋钮25。
[0025]气氛系统包括真空泵16、高纯氩气瓶1和高纯氮气瓶2，真空泵16上设有真空泵出气口26，真空泵16与热处理炉之间设有真空泵连接管15，真空泵连接管15上设有破真空旋钮43，炉体29通过通气软管13与不同气瓶连通。
[0026]所述辉光装置包括位于炉内的源极平台33和阴极平台36，源极平台33与50A电源11电线14连接;阴极平台36与75A电源18电线14连接。12根纯钛带孔长管30通过螺母均匀分布连接到源极平台33上，用于安装TC4圆管的圆管套筒31放在阴极平台36上，位于炉体29正中处。
[0027]热处理炉上还设有测温仪41，通常为专用测温枪，测温枪通过发射红外线42，测量炉内样品的实时表面温度。圆管样品的最终温度以测温枪测得的温度为准。可通过调节温度控制显示屏5上下按键调节内壁温度，而温度控制显示屏5的温度为测温热电偶28所测的温度。
[0028]本方法采用的上述设备结构设计合理，操作简便，能够在保证处理效果的同时，有效控制成本。
[0029]钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法包括如下步骤：
S1 将铸态TC4棒材经车、镗和锯的加工方式，加工为外直径60mm、内直径30mm、长1100mm的TC4圆管;
S2 设备安装：将影响炉体29打开的水管、气管、电线14拧开，大丝杠换为专用的小丝杠，打开炉体29，然后将带孔长管30均匀吊装在炉内的源极平台33上，将圆管套筒31放在炉内的阴极平台36上;
S3 样品表面清洗及刷涂料：
①将棉花沾入丙酮，使用撬棒反复推动棉花均匀擦拭TC4圆管样品32内壁，使用吹风机吹干;
②取另一块棉花沾入酒精，使用撬棒反复推动棉花均匀擦拭TC4圆管样品32内壁，从而达到去除油污的目的，随后吹干;
③同样将TC4圆管样品32外壁清洗并吹干，随后将外壁用刷子均匀涂抹离子渗氮专用防渗涂料，等待半小时使涂料风干贴近金属样品;
S4 抽真空：
①打开炉体29，将上述处理好的TC4圆管样品32放入热处理炉中的圆管套筒31中，放入样品固定环37，以固定圆管，关闭炉体29，同时将小丝杠换回大丝杠，连接好水管、气管、电线14等连接装置;
②打开电源，启动气氛系统，使真空泵16运行起来，打开蝶阀使真空泵16对炉内进行抽真空直至真空压强<1Pa，打开水冷开关;
S5 升温：
①将电压调至750V，炉内TC4圆管样品32开始升温，等待加热至50℃时，气氛系统的气体开关自动打开;
②旋转氩气旋钮至100，温度升高至60℃时，真空泵16稳定运行，气压稳定上升，设定气压为200Pa，同时调整专用测温仪41测量内部TC4圆管样品32的实时表面温度;
③等待约20分钟至气压无法上升且温度上升较慢时，旋转氩气旋钮至200且氮气旋钮旋至0.6使得N2：Ar=3:1;
④随后通过旋转控制输出旋钮19，逐渐增大占空比改变升温速率，通过调整温度表改变温度，直至专用测温仪41测得的温度为900℃±15℃;
S6 双辉离子渗氮：
①稳定运行时设备参数：辉光系统的源极电压750V，压强200Pa，N2：Ar=3:1;源极控制输出为27.6%、电流30A;阴极控制输出为50.7%、电流24A;
②双辉离子渗氮运行时间：第一次样品表面升至900℃时，开始计时8小时;
S7 冷却：
①运行至所需时间后，源极、阴极两边电压归0，气体流量归0，控制输出旋钮19调至最小;②等气压抽至100Pa时，关闭真空泵16，保持冷却水流通，直至样品随炉冷却至室温。
[0030]S8 取样：
降温完成后，打开破真空阀，使炉内气压与大气压强一致，关闭冷却水，断开水管、气管、电线14等影响炉体29打开的连接装置，打开炉体29，取出样品;
S9 清洗：
取出TC4圆管样品32，使用清水清洗、擦掉表面专用防渗涂料;
S10 检测、分析、表征：
对TC4圆管样品32内壁形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测以及分析、表征;采用金相显微镜进行金相组织分析;采用维氏硬度计进行硬度分析。
[0031]本发明所制得的TC4圆管样品经检测结果如下：
图2为本发明制得的TC4圆管样品32内壁的金相显微组织形貌图，由图2可以看出，本发明制得的TC4圆管样品32内壁金相组织基体无变化，内壁具有渗氮层，渗氮层金相组织与基体结合紧密，脱落风险小且层厚较厚可达17±1µm。
[0032]图3为本发明制得的TC4圆管样品32内壁的硬度性能图，如图所示，本发明制得的TC4圆管样品32内壁的平均硬度高达713.04HV，是基体硬度的2.2倍。
[0033]为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0034]同时，本实施例中所涉及的前、后、左、右等方位，只是作为一个方位的参考，并不代表实际运用中的方位。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0035]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
说明书附图(3)
声明：
“钛合金圆管内壁表面双辉等离子渗氮的处理方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：山西省太原市学院路3号
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2025年03月28日 ~ 30日 
