一種提高金屬材料疲勞壽命的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，尤其是一種提高金屬材料疲勞壽命的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用，在金屬材料表面形成塑性變形層，從而使金屬材料的疲勞強(qiáng)度與硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術(shù)已在航空、船舶、機(jī)械工程、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要用于材料改性、金屬沖擊強(qiáng)化和成形，以及無損檢測等方面。
[0003]目前表面改性處理來提高材料的抗氧化能力的方法有很多，如MCrAIY包覆涂層、滲鋁涂層、硅化物陶瓷涂層、低氧壓下的預(yù)氧化層等。而硅化物陶瓷涂層屬于高分子涂層材料的一種。高分子涂層材料是近幾年來在機(jī)械制造業(yè)和機(jī)械修理業(yè)當(dāng)中，快速迅猛發(fā)展起來的意向新型材料和新技術(shù)。它能夠?qū)我徊牧系臋C(jī)械零件轉(zhuǎn)化成為復(fù)合型材料結(jié)構(gòu)，以金屬為基體以便可以承受零件設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，以高分子材料涂層為表面用來改善零件的耐磨性、防震性和抗腐蝕性等。
[0004]專利號為CN102463130A的中國專利公開了一種溶膠-凝膠法制備改性T12涂層的方法。該方法是將1102溶膠對材料進(jìn)行5次涂膜，然后高溫保溫后冷卻，最后再進(jìn)行退火處理得到的T12涂層。這種方法獲得的T12涂層具有較好的熱穩(wěn)定性，腐蝕性和耐磨性，但是存在致密性較差，易出現(xiàn)微裂紋、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低的問題。即使多次進(jìn)行改進(jìn)涂層，也無法避免這樣的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種提高金屬材料疲勞壽命的方法，經(jīng)過硅化物陶瓷涂層之后的材料表面再進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力和高的位錯密度，改善表面涂層的致密性以及涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)也可以預(yù)防裂紋的產(chǎn)生和降低已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展速率，金屬材料同時(shí)具有高耐磨性、抗蝕性、抗高溫氧化性能，從而提高了高溫條件下金屬材料的疲勞壽命。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0007]—種提高金屬材料疲勞壽命的方法，包括如下步驟:
[0008](I)首先對金屬進(jìn)行清洗，然后進(jìn)行熱處理，在所述金屬表面形成金屬氧化膜；
[0009](2)將硅酸酯加至醇和水混合溶液中，以酸或堿做為催化劑，攪拌使其形成溶膠，將所述溶膠涂覆在步驟(I)得到的金屬上，干燥，形成溶膠膜，熱處理后得到陶瓷涂層金屬表面，將得到硅化物陶瓷涂層金屬表面進(jìn)行打磨、拋光處理；
[0010](3)將步驟(2)得到的硅化物陶瓷涂層金屬進(jìn)行清洗，干燥后涂上吸收層，吸收層表面覆蓋透明材料作為約束層進(jìn)行激光沖擊，將沖擊區(qū)表面清洗，干燥。
[0011]適當(dāng)?shù)臒崽幚聿粌H可獲得較高的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)在熱處理時(shí)材料表面形成一層氧化物薄膜，它可以提高材料與涂層的相容性，從而在高溫氧化過程中能夠提高涂層的抗裂紋和剝落能力，提高硅化物陶瓷涂層的抗氧化能力。
[0012]進(jìn)一步，步驟(I)所述熱處理方式為:通過X射線衍射分析測定該所述金屬材料的β相轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)行雙重退火熱處理，在所述金屬材料表面形成一層連續(xù)的1102與Al 203混合氧化膜。
[0013]退火時(shí)在材料表面形成一層氧化物薄膜，這層氧化薄膜在硅化物陶瓷涂層處理時(shí)起到過渡層的作用，增加基體與硅化物陶瓷涂層的結(jié)合能力。
[0014]在上述方案中，步驟(2)所述硅酸酯為正硅酸乙酯，所述醇為乙醇，所述酸為鹽酸、硫酸或硝酸，所述堿為氫氧化鈉。
[0015]在上述方案中，步驟(2)所述溶膠的涂覆厚度為0.3?0.4mm。
[0016]在上述方案中，步驟(3)所述的吸收層厚度為0.1?0.15mm，所述約束層厚度為3 ?4mm.
[0017]在上述方案中，步驟(3)所述的吸收層為黑漆或鋁箔；所述的約束層為水。
[0018]在上述方案中，步驟(3)所述激光的輸出波長1.064um，脈沖寬度為20ns，激光脈沖能量約為30J。
[0019]在上述方案中，所述金屬材料為Fe、Mg、Mg合金、Al、Al合金、T1、Ti合金、Cu、Cu合金、N1、Ni合金、鋼。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]本發(fā)明表面處理方法的創(chuàng)新，在于充分結(jié)合了激光沖擊強(qiáng)化和硅化物陶瓷涂層處理工藝的特點(diǎn)；硅化物陶瓷涂層處理能明顯改善材料的熱疲勞性能，但由于處理后的硅化物陶瓷涂層硬度較高，粗糙度增加，韌性低，影響了材料的微動疲勞抗力，而激光沖擊強(qiáng)產(chǎn)生的高幅殘余壓應(yīng)力層能能有效提高材料的微動疲勞壽命，而且與傳統(tǒng)噴丸相比形成的殘余應(yīng)力大，且不受零件結(jié)構(gòu)尺寸的限制，對于光滑零件表面強(qiáng)化后基本不改變其粗糙度。因此，這種處理方法可以綜合提高材料耐磨性、抗蝕性及抗高溫氧化性能，從而提高高溫條件下零件的微動疲勞壽命。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0023]實(shí)施例1
[0024]以TCll鈦合金為例(TC11為近α + β型兩相鈦合金，是一種重要的航空和宇航材料，該合金具有比強(qiáng)度高，中溫性能好，耐腐蝕性能好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已用于航空動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和鼓筒等零件以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上)。
[0025]1、用超聲波清洗器對無水乙醇中的TCll鈦合金表面進(jìn)行清洗，然后將TCll鈦合金放入熱處理爐中調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臏囟群筮M(jìn)行熱處理。通過X射線衍射分析測定該合金的β相轉(zhuǎn)變溫度為1000 士 20°C，進(jìn)行雙重退火熱處理，即950°C保溫lh，空冷。580°C保溫6h，空冷。在其表面可形成了一層連續(xù)的Ti02+Al203混合氧化膜，該薄膜可增強(qiáng)硅化物涂層與基體的結(jié)合能力。
[0026]2、溶膠-凝膠法制備硅化物陶瓷薄膜。將正硅酸乙酯融入水和乙醇中，并添加鹽酸作為催化劑，之后攪拌使其形成均勻的溶液，待其形成溶膠之后，涂覆在材料的表面，厚度大約在0.3_。然后把材料放置在干燥