本發明涉及一種材料的表面拋光方法，尤其是一種鈦合金的表面拋光方法，具體地說是一種鈦合金的表面氨基模塑料磨料氣射流拋光方法。

背景技術：

鈦及鈦合金具有密度小（4.51g/cm³）、強度高（R_m可達到1100MPa以上）、比強度大以及優異的高低溫性能和耐腐蝕性能而被廣泛應用于航空、航天、化工、生物醫學等領域。在所有的鈦合金中，TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金用途最為廣泛，超過了鈦合金總量的50%。在航空領域內使用，鈦合金被廣泛應用于機身、機翼、發動機附近和起落架等對強度及耐久性要求高的重要或關鍵承力部件中。

但鈦合金自身熱導率低、高溫強度高、化學活性強，切削加工時表面溫度較高，易導致表面燒傷和氧化。同時，由于鈦合金表面硬度低、易發生粘著磨損，從而將導致刀具磨損加劇而使刀具切削性能下降，這都將對鈦合金結構件加工表面質量產生影響。

拋光作為最后一道工序，不僅能夠去除切削加工痕跡，保持構件精度，提高表面粗糙度使其達到工藝設計要求，還能對加工表面變質層內的加工硬化、殘余應力、金相組織變化以及塑性變形等有著直接的影響，改善材料表面的耐腐蝕性、耐磨性及獲得特殊性能。國內外對拋光工藝對提高航空鈦合金結構件表面精度和性能的關注度越來越高，也同時出現了不同的表面拋光方法來提高鈦合金結構件表面精度和性能。主要的方法有機械拋光加工（磨削、研磨、拋光和超精密加工）、現代拋光加工（離子束拋光、激光束拋光、化學拋光、電化學拋光、磁粒光整加工、超聲波研磨、拋光等）和復合非傳統光整加工（化學機械拋光、電化學超聲波研磨、電化學機械光整加工及其他復合光整加工）等。

其中，機械拋光是利用物理手段而使表面平滑或光亮的拋光方法，易導致材料產生塑性變形層及組織變化層，并在工件表面留下研磨材料或油脂等異物；電化學拋光/化學拋光雖可對形狀復雜及各種尺寸的工件進行拋光，但拋光過程中會析出有害氣體，從而對環境和人體健康產生影響；超聲拋光雖可使磨粒在超聲振動下對工件加工區域材料產生機械撞擊和研磨以及超聲波空化作用而使加工區域材料粉碎產生脫落，但其加工效率和精度不足。為了解決上述拋光方法存在的問題，人們開始研究并開發許多新型拋光加工技術，磨料氣射流拋光就是其中之一。

磨料氣射流拋光（Abrasive Air Jet finishing-Machining，AAJM）是利用磨料與空氣或其他氣體混合而成的高速噴射流，經特殊設計的噴嘴高速沖擊射向工件，通過對表面材料的去除而達到提高材料表面精度和性能的新型拋光方法。與傳統的拋光方法相比，磨料氣射流加工具有良好的適用性和通用性，且其結構簡單、成本低，加工后工件表面粗糙度均勻等優點。目前磨料氣射流加工方法所使用的拋光磨料大多為氧化鋁、表面涂覆碳化硅和磁性材料的熱塑性高分子聚合物、碳化硅顆粒等。但由于上述磨粒硬度均大于鈦合金基體硬度（370HV），易導致鈦合金表面產生損傷。而采用多面體棱角結構的氨基模塑料磨料對鈦合金表面進行氣射流拋光，由于其硬度（400~450HB）與鈦合金基體硬度（370HV）相當，可在不產生表面損傷的條件下對鈦合金表面進行拋光加工，且不會給鈦合金基體組織及主要性能造成負面影響。同時，AAJM方法對工件結構和尺寸無要求，是一個快速便捷、靈活方便、經濟高效、無毒、環保、可控性強的工藝過程。但目前采用氨基模塑料磨料對鈦合金表面進行氣射流拋光的方法國內外少有提及。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有的氣流拋光用磨料硬度遠大于被拋光的鈦合金而易造成表面損傷的問題，發明一種使用氨基模塑料磨料的鈦合金表面磨料氣射流拋光方法，它解決了損傷容限型鈦合金TC4表面拋光的難題，能大幅度提高拋光表面質量，減少表面缺陷和損傷。

本發明的技術方案是：

一種鈦合金表面氨基模塑料磨料氣射流拋光方法，其特征是采用氨基模塑料拋光磨料作為拋光介質，將氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣居中平放于噴砂機工作臺上方，采用直徑為?4.0~8.0mm的噴嘴，控制噴射壓力為0.1~0.6MPa，拋光噴射角為70o~90o，拋光噴射距離為50~350mm，對鈦合金試樣表面進行拋光1~5分鐘。

所述的氨基模塑料拋光磨料由粒度級別為16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的四種規格的氨基模塑料顆粒混合而成，四種氨基模塑料顆粒的質量百分比分別為16~20目顆粒的質量百分比為10~20%，20~30目顆粒的質量百分比為30~40%，30~40目顆粒的質量百分比為30~40%，40~50目粒徑的質量百分比為余量。

所述的氨基模塑料顆粒由氨基模塑料原料放入到塑料破碎機內進行破碎，再將破碎的顆粒放入到粉碎機內粉碎后放入到振動篩內進行分級篩選至粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后將篩選所得顆粒中粒度級別為16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的顆粒按比例放入到球磨機內攪拌10~20分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。

所述的氨基模塑料顆粒由氨基模塑料塊狀原料或大粒徑顆粒狀原料（粒徑小于10目）放入到塑料破碎機內進行破碎至顆粒狀，再放入到振動篩內進行分級篩選至粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后將篩選所得顆粒中粒度級別為16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的顆粒按比例放入到球磨機內攪拌10~20分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。

所述的氨基模塑料原料為密度1.4~1.6g/cm³，硬度400~450HB，厚度3-10mm的板料。

所述的氨基模塑料原料破碎是在刀片式塑料破碎機內進行，破碎機定刀片2~4把，動刀片3~6把，刀片之間調整間隙為2~6mm，篩網孔徑為?6.0~10.0mm。

所述的氨基模塑料原料粉碎是在渦輪式粉碎機內進行，粉碎機轉子直徑為350~750mm，篩網孔徑為?1.5~2.5mm。

所述的氨基模塑料拋光磨料為4~8面體結構的棱角型磨料。

所述的鈦合金試樣采用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為100~200mm。

所述的鈦合金為TC系列中的損傷容限型鈦合金TC4或其它TC系列的鈦合金。

具體而言，本發明的鈦合金表面氨基模塑料磨料氣射流拋光方法它包括氨基模塑料磨料的制備及表面拋光處理；

氨基模塑料磨料的制備是指：

先將氨基模塑料放入到塑料破碎機內進行破碎，再將破碎的顆粒放入到粉碎機內粉碎后放入到振動篩內進行分級篩選至粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后將篩選所得顆粒中粒度級別為16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的顆粒放入到球磨機內攪拌10~20分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料；

表面拋光處理是指：

將所得氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣居中平放于噴砂機工作臺上方，采用直徑為?4.0~8.0mm的噴嘴在一定噴射壓力、噴射角度和噴射距離的條件下對鈦合金試樣表面進行拋光1~5分鐘。

所述的氨基模塑料為密度為1.4~1.6g/cm³，硬度為400~450HB，厚度為3-10mm的板料。

所述的氨基模塑料破碎是在刀片式塑料破碎機內進行，破碎機定刀片2~4把，動刀片3~6把，刀片之間調整間隙為2~6mm，篩網孔徑為?6.0~10.0mm。

所述的氨基模塑料顆粒粉碎是在渦輪式粉碎機內進行，粉碎機轉子直徑為350~750mm，篩網孔徑為?1.5~2.5mm。

所述的氨基模塑料拋光磨料為4~8面體的棱角型磨料。

所述的拋光噴射壓力為0.1~0.6MPa，拋光噴射角為70o~90o，拋光噴射距離為50~350mm。

所述的鈦合金試樣采用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為100~200mm。

所述的鈦合金試樣經拋光后其表面粗糙度Ra值可達到0.8~2.4μm

所述的鈦合金為TC系列中的損傷容限型鈦合金TC4，也可適用于其它TC系列的鈦合金表面拋光。

本發明的基理是：

利用氨基模塑料磨料與空氣混合產成的高速噴射流，經噴嘴高速射向鈦合金工件表面，在不產生表面損傷的條件下對鈦合金工件表面材料進行去除，達到拋光的目的，從而提高鈦合金構件表面精度，改善鈦合金構件表面性能。

本發明的有益效果：

1、本發明可在鈦合金基體表面不產生損傷的條件下快速去除表面氧化層和附著物，是一個工藝簡單，經濟高效、可控性強的鈦合金表面拋光工藝。

2、本發明可提高鈦合金結構件表面精度，改善鈦合金結構件表面耐腐蝕性、耐磨性等其它特殊性能。

3、本發明采用了氨基模塑料顆粒作為拋光磨料，在使用過程中磨料不產生毒性，環保，有較強的抗磨擦性能和抗靜電性能。

4、采用本發明方法對鈦合金表面進行拋光加工，可使鈦合金工件表面粗糙度達到Ra1.17~2.36μm。

5、本發明所述的拋光方法不僅適用于鈦合金TC4，也可用于其它損傷容限型鈦合金。

6、經本發明方法拋光處理后的鈦合金試樣的表面粗糙度Ra值可達到0.8~2.4μm。

附圖說明

圖1為本發明實例1經粉碎后的30~40目氨基模塑料磨料微觀形貌圖。

圖2為本發明實例2經拋光后的鈦合金表面粗糙度輪廓曲線及粗糙度R_a值。

圖3為本發明實例2經拋光后的鈦合金表面微觀形貌圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

一種鈦合金表面氨基模塑料磨料氣射流拋光方法，所使用的部分設備有刀片式塑料破碎機、渦輪式粉碎機、振動篩、球磨機、噴砂機，這些設備均為市場所售的常規產品。鈦合金材料為損傷容限型鈦合金TC4，其主要化學成分按質量百分比記為：6.05%Al，3.89%V，0.203%Fe，0.12%O，0.01%C，其余為Ti。拋光磨粒為氨基模塑料顆粒，其主要化學成分為C和O。具體步驟如下：

1、磨料破碎

將密度為1.4~1.6g/cm³，硬度為400~450HB，厚度為3~10mm氨基模塑料原料（可為塊狀，也可為粒徑小于10目的顆粒狀原料）放入到刀片式塑料破碎機內進行破碎，破碎機定刀片2~4把，動刀片3~6把，控制刀片之間調整間隙為2~6mm，篩網孔徑為?6.0~10.0mm。

2、磨料粉碎與篩選

采用轉子直徑為350~750mm，篩網孔徑為?1.5~2.5mm的渦輪式粉碎機將由破碎機破碎所得氨基模塑料顆粒粉碎至4~8面體的棱角型小顆粒，后放入到振動篩內進行分級篩選，篩選后的粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。

具體實施時，還可根據原料及設備情況將破碎與粉碎、篩選在同一臺設備中完成。

3、磨料制備

將篩選所得粒度級別為16~20目，20~30目，30~40目（如圖1），40~50目的顆粒按比例放入到球磨機內攪拌10~20分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。具體比例為：16~20目顆粒的質量百分比為10~20%，20~30目顆粒的質量百分比為30~40%，30~40目顆粒的質量百分比為30~40%，40~50目粒徑的質量百分比為余量。

4、表面拋光處理

將所得氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為100~200mm。采用直徑為?4.0~8.0mm的噴嘴在拋光噴射壓力為0.1~0.6MPa，拋光噴射角為70o~90o，拋光噴射距離為50~350mm的條件下對鈦合金試樣表面進行拋光1~5分鐘。

實例1。

步驟1、磨料破碎

將密度為1.4g/cm³，硬度為450HB，厚度為5mm氨基模塑料塊料（厚度為3-10毫米，也可采用粒徑大于3毫米的顆粒狀原料）放入到刀片式塑料破碎機內進行破碎，破碎機定刀片4把，動刀片6把，控制刀片之間調整間隙為4mm，篩網孔徑為?6.0mm。

步驟2、磨料粉碎與篩選

采用轉子直徑為500mm，篩網孔徑為?1.5mm的渦輪式粉碎機將由破碎機破碎所得氨基模塑料顆粒進行粉碎，后放入到振動篩內進行分級篩選，篩選后的粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。

具體實施時，根據原料情況，步驟1和2可合并，下同。

步驟3、磨料制備

將篩選所得16~20目，20~30目，30~40目（如圖1），40~50目的氨基模塑料顆粒按質量百分比為10%，40%，30%和20%的比例放入到球磨機內攪拌15分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。

步驟4、表面拋光處理

將所得氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為150mm。采用直徑為?6.0mm的噴嘴在拋光噴射壓力為0.24MPa，拋光噴射角為80o，拋光距離為100mm的條件下對鈦合金試樣表面進行拋光1分鐘。

取出試樣進行檢測。經X射線能譜儀（EDS）檢測分析，氨基模塑料磨粒表層主要以C和O元素為主。經顯微硬度計檢測鈦合金拋光表面層顯微硬度為375HV_0.01~390HV_0.01，與基體鈦合金表面硬度366HV_0.01~380HV_0.01相比，鈦合金拋光表面硬度未發生明顯變化。經美國AEP NanoMap 500LS接觸式表面形貌儀對鈦合金拋光表面粗糙度進行檢測得出鈦合金試樣經拋光后其表面粗糙度為R_a=1.68μm。經光學顯微鏡（OM）檢測，鈦合金拋光表面光滑平整，未發現明顯表面損傷，如圖2所示。

實例2。

步驟1、磨料破碎

將密度為1.5g/cm³，硬度為420HB，厚度為3mm氨基模塑料放入到刀片式塑料破碎機內進行破碎，破碎機定刀片2把，動刀片3把，控制刀片之間調整間隙為2mm，篩網孔徑為?10mm。

步驟2、磨料粉碎與篩選

采用轉子直徑為350mm，篩網孔徑為?2.0mm的渦輪式粉碎機將由破碎機破碎所得氨基模塑料顆粒進行粉碎，后放入到振動篩內進行分級篩選，篩選后的粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。

步驟3、磨料制備

將篩選所得20~30目，30~40目，40~50目的氨基模塑料顆粒按質量百分比為40%，40%和20%的比例放入到球磨機內攪拌10分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。

步驟4、表面拋光處理

將所得氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為200mm。采用直徑為?4.0mm的噴嘴在拋光噴射壓力為0.6MPa，拋光噴射角為70o，拋光距離為50mm的條件下對鈦合金試樣表面進行拋光5分鐘。

取出試樣進行檢測。經X射線能譜儀（EDS）檢測分析，氨基模塑料磨粒表層主要以C和O元素為主。經顯微硬度計檢測鈦合金拋光表面層顯微硬度為370HV_0.01~380HV_0.01，與基體鈦合金表面硬度366HV_0.01~380HV_0.01相比，鈦合金拋光表面硬度無明顯變化。經美國AEP NanoMap 500LS接觸式表面形貌儀對鈦合金拋光表面粗糙度進行檢測得出鈦合金試樣經拋光后其表面粗糙度為R_a=1.17μm。經光學顯微鏡（OM）檢測，鈦合金拋光表面光滑平整，未發現明顯的裂紋和斷裂面，拋光效果良好，如圖3。

實例3。

步驟1、磨料破碎

將密度為1.6g/cm³，硬度為400HB，厚度為10mm氨基模塑料放入到刀片式塑料破碎機內進行破碎，破碎機定刀片3把，動刀片5把，控制刀片之間調整間隙為6mm，篩網孔徑為?8.0mm。

步驟2、磨料粉碎與篩選

采用轉子直徑為750mm，篩網孔徑為?2.5mm的渦輪式粉碎機將由破碎機破碎所得氨基模塑料顆粒進行粉碎，后放入到振動篩內進行分級篩選，篩選后的粒度級別分別為<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。

步驟3、磨料制備

將篩選所得16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的氨基模塑料顆粒按質量百分比為20%，40%，30%和10%的比例放入到球磨機內攪拌20分鐘，使顆粒充分均勻混合，得到拋光磨料。

步驟4、表面拋光處理

將所得氨基模塑料拋光磨料放入到噴砂機內，將鈦合金試樣用3點支撐法進行定位，按等邊三角形布置，試樣底面到工作臺的距離為100mm。采用直徑為?8.0mm的噴嘴在拋光噴射壓力為0.1MPa，拋光噴射角為90o，拋光距離為350mm的條件下對鈦合金試樣表面進行拋光3分鐘。

取出試樣進行檢測。經X射線能譜儀（EDS）檢測分析，氨基模塑料磨粒表層主要以C和O元素為主。經顯微硬度計檢測鈦合金拋光表面層顯微硬度為375HV_0.01~395HV_0.01，與基體鈦合金表面硬度366HV_0.01~380HV_0.01相比，鈦合金拋光表面硬度未發生明顯變化。經美國AEP NanoMap 500LS接觸式表面形貌儀對鈦合金拋光表面粗糙度進行檢測得出鈦合金試樣經拋光后其表面粗糙度為R_a=2.36μm。經光學顯微鏡（OM）檢測，鈦合金拋光表面較平整，未發現明顯的裂紋和斷裂面，局部區域產生了微量的沖蝕磨損，且在誤差范圍之內。形貌圖與圖3類似。

本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。