專利名稱：預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料表面處理的方法，尤其是涉及一種利用預應力噴丸的方法來改善鈦基復合材料的表面性能。
背景技術：
基于優(yōu)異的綜合性能，鈦基復合材料一直被認為是新一代的金屬基復合材料，但其表面性能還需要進一步的改善和提高。表面性能主要包含表面應力和組織結(jié)構(gòu)。從表面應力方面分析，組件在機械加工或表面處理后，或多或少會引入殘余應力，如果表面出現(xiàn)殘余拉應力，會導致微裂紋的萌生和擴展，從而形成開裂，使材料的疲勞性能降低；如果表面出現(xiàn)殘余壓應力，則能夠抵消全部或者部分外加拉應力，使材料的疲勞性能得以提高。從表面組織結(jié)構(gòu)分析，如果表面晶塊尺寸較小，硬度很大，這樣可以提高材料的表面耐磨性。 噴丸處理是金屬材料重要的表面強化手段，通過在材料表層引入殘余壓應力場和細化晶粒層，可以改善金屬材料的表面性能，是工業(yè)中較為常用的表面處理方法。噴丸后表面性能的重要參數(shù)有表面殘余壓應力值、最大殘余壓應力值及其對應層深，和表面顯微硬度。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Xue, L.等人在會議論文“A survey of surface treatments to improve the fretting fatigue resistance of Ti-6Al_4V，，(Proc· Conf. Computer Methods and Experimental Measurements for Surface Treatment Effects, Milan, Italy, 7-9June 1995, pp. 265-272)中介紹了三類表面處理的方法，主要包括傳統(tǒng)噴丸處理，原子滲透，表面涂層。在這三類方法中，雖然提到傳統(tǒng)噴丸處理能夠更好的提高材料表面的磨損疲勞性能，但是無法使殘余壓應力達到最佳的分布狀態(tài)，得到的殘余壓應力局部還會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在外加應力和加熱過程中容易松弛，不能適應現(xiàn)代生產(chǎn)日益增長的對材料高性能的要求，因而需要尋求新的噴丸方法和工藝，以進一步提高材料的表面性能。另外，目前對鈦基復合材料的噴丸研究還很少，尤其對表面性能的系統(tǒng)研究，都需要改進和完善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種顯著優(yōu)化材料表層殘余壓應力分布，提高殘余壓應力總體層深，細化表層晶塊尺寸，大幅度提高表層硬度的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，包括以下步驟(1)噴丸前預應力的加載預加應力為拉應力，加載大小應小于材料的屈服強度的一半，預應力的加載方式為三點彎曲加載。工作原理預應力噴丸是在傳統(tǒng)噴丸的基礎上預先對材料施加拉應力，噴丸后預應力未卸載時，材料表層應力狀態(tài)和未施加預應力時噴丸表層應力狀態(tài)相同。當預加的拉應力卸載后，由于材料整體的彈性回復，噴丸殘余壓應力會大幅度提高。在預應力噴丸前，預加拉應力的臨界值為0. 5倍材料屈服強度，當預應力小于臨界值時，殘余壓應力的提高與預應力成正比，隨著預應力的增加而提高，材料也不會發(fā)生塑性變形，而當預應力超過臨界值時，由于在卸載過程中產(chǎn)生了反向局部塑性變形，必然造成殘余應力松弛和局部塑性變形，噴丸殘余應力反而呈遞減趨勢。因此預應力的加載大小應小于材料屈服強度的一半。 通過三點彎曲方式加載預應力，可以通過改變凸面曲率調(diào)節(jié)拉應力的大小，方法簡單有效， 實現(xiàn)起來也比較容易。(2)噴丸參數(shù)的選擇噴丸處理的參數(shù)一般包括噴丸方式，噴丸強度，噴丸時間和噴丸彈丸。噴丸方式采用氣動式噴丸設備；噴丸強度需要根據(jù)材料具體選擇，噴丸強度通常用Almen試片弧高(mmA)表示，對于鈦基復合材料，選擇介于0. 2 0. 5mmA的噴丸強度；噴丸時間0. 5 1. 5分鐘；所用的噴丸彈丸分為鑄鋼丸(大直徑，硬度較小)和陶瓷丸(小直徑，硬度較大)，可根據(jù)具體噴丸材料和噴丸條件進行選擇，鈦基復合材料的預應力噴丸，選擇陶瓷丸。工作原理氣動式噴丸機利用高氣壓和氣流將噴丸彈丸均勻地噴打在材料的表面，使表面形成一層變形層，利用這種方法得到的形變層均勻，氣壓容易控制，而且操作簡單。在噴丸強度方面，較低的噴丸強度會造成噴丸效果不佳，而過高的噴丸強度則會造成表面粗糙度過大和表面質(zhì)量降低，從而影響材料的表面性能。噴丸強度的選擇至關重要，對于低強度材料，噴丸強度應介于0. 1 0. 2mmA，高強度材料應介于0. 2 0. 5mmA，而對于超高強度材料，噴丸強度應大于0. 5mmA。噴丸時間的選擇是依據(jù)Almen試片達到規(guī)定噴丸強度和飽和噴丸強度的時間而定，對Almen試片進行噴丸，達到這兩項的時間分別為0. 5和1. 5 分鐘左右，繼續(xù)延長噴丸時間，噴丸強度基本不變，表面性能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，如果再繼續(xù)噴丸，則又會破壞表面性能的相對穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生表面裂紋或凹坑，降低表面性能。對于噴丸彈丸的選擇也要根據(jù)具體材料而定，如果材料強度比較高，并且對材料表面粗糙度要求不是特別高的情況下，一般選擇鑄鋼丸，如果材料強度不高，同時對材料表面粗糙度要求很高，一般選擇陶瓷丸，如果材料強度很高，對表面粗糙度的要求也很高，可以先選擇鑄鋼丸，再選擇陶瓷丸。選擇適當?shù)膰娡鑿姸取娡钑r間和噴丸彈丸，可以得到最優(yōu)的表面性能。(3)預應力噴丸后表面變形層的性能測試表面變形層的性能測試主要包括殘余應力隨層深的分布，晶塊尺寸隨層深的分布，顯微硬度隨層深的分布。逐層的層深可以利用化學腐蝕方法得到。工作原理距離表層不同深度可以利用化學腐蝕方法得到，所用腐蝕溶液為硝酸和氫氟酸的混合水溶液 Vhto Vhf = 31 12 7)，鈦基復合材料的化學腐蝕速率大約10-15ym/min.殘余應力的測量利用X射線應力儀測量，測量三個方向的殘余應力沿預應力加載方向、與預應力加載方向成45°、垂直預應力加載方向。通過測試結(jié)果分析三個方向的殘余應力的變化規(guī)律。晶塊尺寸通過X射線衍射儀測得的衍射峰的積分寬度計算得到，積分寬度通過Voigt方法獲得。顯微硬度的測量是利用維氏硬度測量原理，通過測量維氏壓痕的對角線長度轉(zhuǎn)化計算表面硬度(維氏硬度)的大小。通過這些方法，可以對預應力噴丸后表面變形層的性能變化做更精確的評估。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法彌補了傳統(tǒng)噴丸的不足，結(jié)合了傳統(tǒng)噴丸和應力噴丸技術的優(yōu)點，系統(tǒng)研究了鈦基復合材料預應力噴丸后的表面性能，可以最大程度的優(yōu)化鈦基復合材料表層殘余應力分布，同時可以
4較大程度地提高材料表面顯微硬度。本方法的工作原理成熟，實施方案簡便易行。


圖1為預應力噴丸示意圖；圖2為沿加載方向的表層殘余應力分布；圖3為與加載方向成45°方向的表層殘余應力分布；圖4為垂直加載方向的表層殘余應力分布；圖5為噴丸后表層晶塊尺寸大小分布；圖6為噴丸后表層顯微硬度分布。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1(1)實驗材料原位生成(TiB+TiC)/Ti-6Al_4V復合材料，增強體體積分數(shù)為8 %，噴丸試樣尺寸 40X 10X2mm3，樣品編號為1，2號。(2)傳統(tǒng)噴丸利用氣動式噴丸機，對1號試樣進行傳統(tǒng)噴丸處理，氣壓0. 5MPa,時間0. 5min,所用噴丸介質(zhì)為陶瓷彈丸，平均直徑0. 2mm，噴丸機噴嘴直徑為15mm，距離試樣表面100mm，噴丸強度0. 2mmA，噴丸覆蓋率100 %。(3)應力噴丸噴丸前，利用三點彎曲法，對2號試樣預加拉應力300MPa，噴丸條件與傳統(tǒng)噴丸相同。(4)殘余應力分析利用X射線衍射應力儀，測量上述1，2號噴丸樣品表層殘余應力分布，測試方向為三個方向，如圖1所示，顯示了預應力噴丸的示意圖及測試方向。殘余應力結(jié)果分布如圖 2 4所示。比較這三個圖可以發(fā)現(xiàn)，預應力噴丸后三個方向的表層殘余壓應力都顯著提高，并且分布均勻，由于所用材料為多晶各向同性材料，所以三個方向的變化趨勢都相同。 另外，在殘余壓應力提高幅度方面，沿加載方向的殘余壓應力提高的幅度要略大于其它兩個方向，這主要是由于預加的拉應力卸載后，沿加載方向的材料整體的彈性回復大于其他兩個方向，導致沿加載方向的殘余壓應力會大幅度提高。從2 4圖中還可知，預應力噴丸后樣品的三個方向最大殘余壓應力對應層深都變大。(5)表層晶塊尺寸和顯微硬度分析利用X射線衍射儀得到衍射峰的積分寬度去計算表層的平均晶塊尺寸分布，如圖 5所示，與傳統(tǒng)噴丸相比，預應力噴丸后表層晶塊尺寸發(fā)生了明顯的細化，并且隨著層深的增加，晶塊尺寸逐漸變大。顯微硬度的測量利用數(shù)字顯微硬度測試儀測得，顯微硬度隨層深的變化如圖6所示，與傳統(tǒng)噴丸相比，預應力噴丸后表層顯微硬度大幅度提高。噴丸后預應力未卸載時，材料表層應力狀態(tài)和未施加預應力時噴丸表層應力狀態(tài)相同。當預加的拉應力卸載后，材料整體的彈性回復變大，位錯運動加劇，作為位錯沉積源的增強體粒子和表層的細化晶粒會阻礙位錯運動，導致表層顯微硬度的提高。綜合分析結(jié)果可知，與傳統(tǒng)噴丸相比，預應力噴丸能夠顯著優(yōu)化鈦基復合材料表層殘余壓應力分布，提高殘余壓應力總體層深，細化表層晶塊尺寸，大幅度提高表層硬度。 而且由于預噴丸過程中形成了更大的位錯密度和更穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)，使預應力噴丸的鈦基復合材料在疲勞過程中不易松弛，即疲勞性能進一步提高。所以預應力噴丸改善了鈦基復合材料的表面性能。實施例2預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，包括以下步驟(1)制備尺寸規(guī)則的鈦基復合材料；(2)利用三點彎曲對鈦基復合材料預加拉應力，加載的拉應力小于鈦基復合材料的屈服強度的一半，本實施例中拉應力為300MPa ；(3)對預應力加載后的材料進行噴丸處理，采用的噴丸介質(zhì)為陶瓷彈丸，噴丸強度為0. ImmA,噴丸時間為1. 5min ；(4)卸載預應力，對預應力噴丸改善后的鈦基復合材料表面進行表面性能測試即可，利用X射線衍射方法測定不同噴丸工藝下不同方向的表層殘余應力分布，用X射線衍射峰的積分寬度計算表層的平均晶塊尺寸分布，用數(shù)字顯微硬度測試儀測量表層顯微硬度。
權(quán)利要求
1.預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，該方法在傳統(tǒng)噴丸的基礎上預先施加拉應力，噴丸后卸載，通過拉應力卸載后引起的材料整體的彈性回復來改善材料表面性能，具體包括以下步驟(1)制備尺寸規(guī)則的鈦基復合材料；(2)利用三點彎曲對鈦基復合材料預加拉應力，加載的拉應力小于鈦基復合材料的屈服強度的一半；(3)對預應力加載后的材料進行噴丸處理；(4)卸載預應力，對預應力噴丸改善后的鈦基復合材料表面進行表面性能測試即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，步驟O)中所述的拉應力為300MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的噴丸處理選擇的噴丸介質(zhì)為陶瓷彈丸，噴丸強度為0. 1-0. 5mmA，噴丸時間為 0. 5-1. 5min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的噴丸處理選擇的噴丸介質(zhì)為陶瓷彈丸，該陶瓷彈丸的平均直徑 0. 2mm,噴丸強度0. 2mmA,噴丸時間0. 5min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，步驟中所述的表面性能測試包括表層殘余應力分布測試、平均晶塊尺寸分布測試及表層顯微硬度測試。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，其特征在于，利用X射線衍射方法測定不同噴丸工藝下不同方向的表層殘余應力分布，用X射線衍射峰的積分寬度計算表層的平均晶塊尺寸分布，用數(shù)字顯微硬度測試儀測量表層顯微硬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，在傳統(tǒng)噴丸的基礎上預先施加拉應力，噴丸后卸載，通過拉應力卸載后引起的材料整體的彈性回復來改善材料表面性能，利用三點彎曲對鈦基復合材料預加拉應力300MPa，對預應力加載后的材料進行噴丸處理，卸載預應力，進行表面性能測試。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用預應力噴丸能夠顯著優(yōu)化材料表層殘余壓應力分布，提高殘余壓應力總體層深，細化表層晶塊尺寸，大幅度提高表層硬度，所以預應力噴丸能夠有效地改善鈦基復合材料的表面性能。
文檔編號C21D7/06GK102505068SQ20111029722
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者馮強, 姜傳海, 詹科, 謝樂春 申請人:上海交通大學