一種纖維增強三元層狀陶瓷零件的表面氮化方法與流程
2023-05-01 01:59:21
本發明涉及一種氮化方法，尤其是一種纖維增強三元層狀陶瓷零件的氮化方法。
背景技術：
：航空發動機傳動系統零件多為鋼製材料，受材質屬性限制，其最高服役溫度大約在430℃左右。隨著航空發動機性能的不斷提升，鋼製零件的環境使用溫度也不斷提高，原有鋼製齒輪、軸承等零件已不能滿足使用要求。Si3N4、ZrO2、塞隆(SiAlON)等陶瓷材料在高溫環境下表現出良好的力學性能，可以滿足在高溫環境下服役的要求，但這類材料常溫下硬度高且脆性大，無法進行銑削等機械加工，即便製造出此類陶瓷零件，由於其模量高、耐衝擊性極差，無法滿足航空發動機傳動系統零件高可靠性的實際工程要求。技術實現要素：本發明的目的是提供一種纖維增強三元層狀陶瓷零件的表面氮化強化方法，以三元層狀MAX相為基體，以纖維為增強相，經過熱壓燒結後，製備出陶瓷批體，待機械加工成實際零件後，進行高溫氮化強化，改善三元層狀陶瓷材料相對較低的硬度和高溫蠕變抗力，滿足陶瓷零件在室溫下兼具一定的可機械加工性能的同時，在高溫環境下具有良好力學性能，通過氮化處理，在陶瓷零件表面生成緻密的高模量氮化物陶瓷膜層，改善零件的耐蝕性和耐磨性。本發明中以Ti3AlC2為代表的Mn+1AXn相陶瓷基體，包括Ti4AlC3、Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti2SnC、Ti4AlN3、Ta4AlC3、Nb2AlC、Cr2AlC、Ta2AlC等。本發明的具體技術方案是，所述的纖維增強三元層狀陶瓷零件製備方法包括以下步驟：1、MAX相塊體陶瓷材料經過球磨後製備成MAX相陶瓷粉體，取30目以上的粉體備用；2、在所述的粉末中加入與MAX相材料粉末體積分數比為(0.5～30)：(70～99.5)的纖維，所述的纖維為碳纖維、SiC纖維、SiO2纖維、BN纖維、AlBO4中的一種或多種，纖維可以是長纖維，也可以是短纖維；3、MAX相材料粉末和纖維混合後，進行燒結，燒結溫度在1100～1600℃，燒結壓力為20～40MPa，燒結時間為1～4h，形成毛坯；4、將毛坯加工成零件；5、對零件進行表面氮化，所述的氮化方法包括以下步驟：a.將零件置於鈦合金離子氮化爐的陰極上，將氮化爐抽真空至30Pa以下後，開始氮化；b.氮化過程中，氮化爐的升溫速率為0.5～5℃/min，升溫至350～600℃時保溫1～2h；c.保溫結束後，通入氮源氣體，所述的氮源氣體包括氨氣、氮氣、氮氣和氬氣的混合氣或氮氣和氫氣的混合氣中的一種；氮源氣體的混合比見下表所示：氮源氣體組成N2N2：H2N2：ArNH3體積比—1：(2～8)1：(3～10)—d.繼續以0.5～3℃/min的升溫速率升溫至700～950℃範圍內進行離子氮化，氮化時間4～100h，保溫結束後，以30～150℃/h的冷卻速度，爐冷至300～500℃；e.關閉電源，隨爐冷至150℃打開爐門，取出零件，氮化完畢；6、將零件空冷至室溫後，進行最終精密加工。本發明通過在MAX相三元層狀陶瓷材料中引入纖維增強相，經過燒結後，製得的纖維增強三元層狀陶瓷複合材料，不僅在室溫下具有良好的機械加工性能，耐溫性良好，材料通過纖維得到進一步增強、增韌，加工後的零件經過離子氮化後，在表面原位生成一層緻密的高模量氮化物陶瓷膜層，耐蝕性和耐磨性均大幅提升。有效氮化層的厚度可達0.05～0.25mm，形成心部具有一定韌性、工作表面具有一定硬度的纖維增強可加工三元層狀陶瓷複合材料零件，這種纖維增強三元層狀陶瓷複合材料零件氮化後的組織結構類似鋼製零件氮化後的組織結構，具有耐衝擊、加工性好的特點。通過本發明製造的零件，如齒輪、軸承等，可以用於製造服役於450℃以上高溫環境的零件，具有加工工藝好、耐衝擊等優點。具體實施方式一種纖維增強三元層狀陶瓷零件的氮化方法，所述的方法包括以下步驟：1、MAX相塊體陶瓷材料經過球磨後製備成MAX相陶瓷粉體，取30目以上的粉體備用；2、在所述的粉末中加入與MAX相材料粉末體積分數比為(0.5～30)：(70～99.5)的纖維，所述的纖維為碳纖維、SiC纖維、SiO2纖維、BN纖維、AlBO4中的一種或多種，纖維可以是長纖維，也可以是短纖維；3、MAX相材料粉末和纖維混合後，進行燒結，燒結溫度在1100～1600℃，燒結壓力為20～40MPa，燒結時間為1～4h，形成毛坯；4、將毛坯加工成零件；5、對零件進行表面氮化，所述的氮化方法包括以下步驟：a.將零件置於鈦合金離子氮化爐的陰極上，將氮化爐抽真空至30Pa以下後，開始氮化；b.氮化過程中，氮化爐的升溫速率為0.5～5℃/min，升溫至350～600℃時保溫1～2h；c.保溫結束後，通入氮源氣體，所述的氮源氣體包括氨氣、氮氣、氮氣和氬氣的混合氣或氮氣和氫氣的混合氣中的一種；氮源氣體的混合比見下表所示：氮源氣體組成N2N2：H2N2：ArNH3體積比—1：(2～8)1：(3～10)—d.繼續以0.5～3℃/min的升溫速率升溫至700～950℃範圍內進行離子氮化，氮化時間4～100h，保溫結束後，以30～150℃/h的冷卻速度，爐冷至300～500℃；e.關閉電源，隨爐冷至150℃打開爐門，取出零件，氮化完畢；6、將零件空冷至室溫後，進行最終精密加工。實施例某航空器上使用的齒輪，工作環境最高可達450℃，其加工方法包括以下步驟：1、燒結的Ti3AlC2塊體陶瓷材料，經過球磨後製備成Ti3AlC2陶瓷粉體，取100目以上的粉體備用；2、在所述的粉末中加入與其體積分數比為5：95的長度為1～5mm的SiC短纖維；3、Ti3AlC2材料粉末和纖維混合後，進行燒結，燒結溫度在1200℃，燒結壓力為30MPa，燒結時間為2h，形成毛坯；4、將毛坯加工成零件；5、對零件進行表面氮化，所述的氮化方法包括以下步驟：a.將零件置於鈦合金離子氮化爐的陰極上，將氮化爐抽真空至30Pa以下後，開始氮化；b.氮化過程中，氮化爐的升溫速率為2℃/min，升溫至400℃時保溫1h；c.保溫結束後，通入氮源氣體，所述的氮源氣體為氮氣；d.繼續以1.5℃/min的升溫速率升溫至900℃範圍內進行離子氮化，氮化時間10h，氮化結束後，以1.5℃/h的冷卻速度，爐冷至400℃；e.關閉電源，隨爐冷至150℃以下打開爐門，取出零件，氮化完畢；6、將零件空冷至室溫後，進行最終精密加工。加工後的齒輪，室溫100g載荷作用下，顯微硬度在HV900以上，在450℃時力學性能穩定，達到使用要求。當前第1頁1 2 3