提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法
【專利摘要】本發明公開了提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法，本發明所采用的技術方案是以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mm；對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，處理溫度150-450℃，保溫時間50-70min條件下修復；對經過步驟2修復厚的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm，噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。本發明的有益效果是可以效果明顯地提高鈦合金的疲勞強度，從而大大拓展鈦合金的工程應用，特別是在高速、大功率、輕量化要求十分重要的航空、交通裝備等領域中的應用前景。
【專利說明】提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬加工【技術領域】，涉及提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法。
【背景技術】[0002]近10年來國內外均有各種表面納米化等強化方法的研究，主要方法是通過噴丸或滾壓等機械強化手段，對金屬表面進行劇烈塑性變形納米化，或者有的研究者在強化后再進行加熱消除由于機械強化形成的表面殘余應力處理。但現有的這兩類方法對于鈦合金提高疲勞強度的效果微乎其微，甚至降低了它的疲勞極限。而鈦合金是現代航空航天技術發展與應用的非常重要的新型合金，具有巨大的應用前景。
[0003]而發明人的一種提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法，能夠效果明顯地提高鈦合金的疲勞強度。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在提供提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法，解決了現有的鈦合金金屬表面納米化強化方法不能提高鈦合金疲勞強度的問題。
[0005]本發明所采用的技術方案是按照以下步驟進行:
[0006]步驟1:對鈦合金表面采取高能納米化噴丸，以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，具體的噴丸參數為鋼丸直徑1mm，噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mm ；
[0007]步驟2:對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數在熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min條件下修復；
[0008]步驟3:表面二次噴丸處理，對經過步驟2修復厚的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
[0009]本發明另一種方法按照以下步驟進行:
[0010]步驟1:對鈦合金表面采取高能納米化噴丸，以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，具體的噴丸參數為鋼丸直徑1mm，噴丸時間1_3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mm ；
[0011]步驟2:表面二次修復噴丸處理，對經過步驟2修復厚的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒；
[0012]步驟3:對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數在熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min條件下修復；
[0013]步驟4:表面二次噴丸處理，對經過步驟3修復厚的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。[0014]本發明的有益效果是可以效果明顯地提高鈦合金的疲勞強度，從而大大拓展鈦合金的工程應用，特別是在高速、大功率、輕量化要求十分重要的航空、交通裝備等領域中的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是TC4鈦合金原始組織A及高能噴丸組織HESP的S-N曲線；
[0016]圖2是不同加熱溫度的表面修復熱處理+ 二次噴丸后的S-N曲線；
[0017]圖3是原始組織及本熱機復合工藝納米化后的S-N曲線。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行說明。
[0019]通常的高能噴丸、熱處理這兩種處理方法對鈦合金疲勞強度的提高是無效的甚至是效果相反的。但經過發明人的反復實驗研究，現將高能噴丸、熱處理、小鋼丸噴丸這三種基本方法進行合理組合，可以效果非常明顯地提高鈦合金的疲勞極限。
[0020]本發明組合工藝方法同時采用了高能噴丸、熱處理、小鋼丸噴丸三種基本工藝方法。本發明的工藝包括兩種，具體如下:
[0021]第一種工藝:
[0022](I)對鈦合金表面高能納米化噴丸。高能噴丸就是采取一定的方法，使鋼丸以很高的能量對金屬表面進行噴丸，使表層產生劇烈塑性變形，從而使金屬表層晶粒細化為納米級。使鋼丸以高能量對表面噴丸的方法有，以超聲波的高頻振動尺寸遠大于普通鋼丸的大鋼丸進行噴丸，或者是使噴丸時間遠遠大于普通噴丸的時間進行噴丸，或者是使噴丸速度遠大于普通噴丸的速度。本發明專利采用的是以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸辦法，具體的噴丸參數為:鋼丸直徑1mm，噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mm ；
[0023](2)表面損傷修復熱處理:對上述高能噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復。由于高能噴丸使鈦合金表面產生的劇烈塑性變形，在表層產生納米化的同時，也對表面造成了一定的損傷。因此，要實現高能噴丸能夠有效地提高鈦合金的疲勞極限的目的，就必須修復此表面損傷。表面損傷修復熱處理，就是利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數來完成。通過施以適當的溫度條件，進一步加劇原子擴散，從而修復塑性變形造成的晶體缺陷，進而修復高能噴丸塑性變形造成的表面損傷。實驗結果表明該合理的加熱修復的條件是:熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min ；
[0024](3)表面二次修復噴丸處理:對上述經過高能噴丸+表面修復熱處理后的鈦合金，再進行一次可以修復表面損傷的噴丸處理，此次噴丸處理不同于步驟(1)。即采用較小的鋼丸及較短的噴丸時間對表面進行噴丸，從而對損傷表面產生一定的修復效果，進而發揮出納米組織提高疲勞極限的作用。首先要保證此次噴丸不對表面造成新的損傷，并且以此二次修復噴丸處理來降低高能噴丸造成的表面粗糙現象，同時又利用表層納米組織高擴散能力的特點，通過二次噴丸時鋼丸的打擊力對表面損傷或者微裂紋產生壓合修復的作用。具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
[0025]第二種工藝:[0026](I)對鈦合金表面采取高能納米化噴丸，以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，具體的噴丸參數為鋼丸直徑1mm，噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mni ；
[0027](2)表面二次修復噴丸處理，對經過步驟I噴丸的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
[0028](3)對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數在熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min條件下修復；[0029](4)表面二次噴丸處理，對經過步驟(3)修復的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
[0030]本發明的實驗結果如圖1至圖3所示，圖1為鈦合金原始組織及經高能噴丸后的
S-N曲線。其中RESP代表表面二次修復噴丸處理后，由圖可知，其疲勞極限為460MPa，而經過2小時高能噴完后的疲勞極限為525MPa，疲勞極限比原始組織的只提高了 14.4%。
[0031]圖2為經過高能噴丸后，分別在200°C、350°C和450°C加熱溫度下進行表面修復熱處理+表面二次修復噴丸處理后的S-N曲線。其疲勞極限分別提高到了 588MPa、630MPa和658MPa。其中，450°C表面二次修復噴丸處理后的疲勞極限提高最大，與原始態的疲勞極限相比提高了 43.1%。結果表明，通過熱機復合工藝納米化方法的處理，鈦合金的疲勞極限得到了顯著的提高。
[0032]圖3將鈦合金原始組織及50°C表面二次修復噴丸處理后的S-N曲線相比較的結果。可見，本發明專利能夠顯著提高鈦合金的疲勞極限，這將對提高鈦合金的疲勞可靠性及推展其工程應用領域具有重要的作用。
[0033]下面列舉具體實施例來進行說明:
[0034]實施例1:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間I小時，噴丸速度40米/秒，噴丸距離400mm ;表面損傷修復熱處理溫度150°C，保溫時間50min，第二次噴丸處理，鋼丸直徑
0.5mm,噴丸時間20min,噴丸速度40米/秒。
[0035]實施例2:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間2小時，噴丸速度60米/秒，噴丸距離500mm ;表面損傷修復熱處理溫度300°C，保溫時間60min，第二次噴丸處理，鋼丸直徑
0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度60米/秒。
[0036]實施例3:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間3小時，噴丸速度70米/秒，噴丸距離600mm ;表面損傷修復熱處理溫度450°C，保溫時間70min，第二次噴丸處理，鋼丸直徑
0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度70米/秒。
[0037]實施例4:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間I小時，噴丸速度40米/秒，噴丸距離400mm ;第二次噴丸處理,鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min,噴丸速度40米/秒,表面損傷修復熱處理溫度150°C，保溫時間50min，第三次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm，噴丸時間20min，噴丸速度40米/秒。
[0038]實施例5:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間2小時，噴丸速度60米/秒，噴丸距離500mm ;第二次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度60米/秒，表面損傷修復熱處理溫度300°C，保溫時間60min，第三次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min,噴丸速度60米/秒。[0039]實施例6:第一次噴丸，鋼丸直徑1mm，噴丸時間3小時，噴丸速度70米/秒，噴丸距離600mm ;第二次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度70米/秒，表面損傷修復熱處理溫度450°C，保溫時間70min，第三次噴丸處理，鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度70米/秒。
【權利要求】
1.提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法，其特征在于按照以下步驟進行: 步驟1:對鈦合金表面采取高能納米化噴丸，以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，具體的噴丸參數為鋼丸直徑1mm，噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mni ； 步驟2:對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數在熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min條件下修復； 步驟3:表面二次噴丸處理，對經過步驟2修復厚的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
2.提高鈦合金疲勞強度的熱機復合工藝納米化的方法，其特征在于按照以下步驟進行: 步驟1:對鈦合金表面采取高能納米化噴丸，以較高的噴丸速度對鈦合金表面進行長時間的噴丸，具體的噴丸參數為鋼丸直徑Imm,噴丸時間1-3小時，噴丸速度40-70米/秒，噴丸距離400-600mni ； 步驟2:表面二次修復噴丸處理，對鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20 min，噴丸速度40-70米/秒； 步驟3:對上述高能納米化噴丸后的鈦合金進行表面損傷修復熱處理，利用鈦合金納米化表層組織所具有的極高的原子擴散系數在熱處理溫度150-450°C，保溫時間50-70min條件下修復； 步驟4:表面二次噴丸處理，對經過步驟3修復后的鈦合金表面，再進行一次噴丸處理，具體參數為:鋼丸直徑0.5mm,噴丸時間20min，噴丸速度40-70米/秒。
【文檔編號】C22F1/18GK103834887SQ201410081374
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】溫愛玲, 王生武, 閆秀霞, 楊軍永, 李麗, 魏巖, 于文夫 申請人:大連交通大學