CN101550524A - 钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法，该方法的步骤是：(1)工件的准备：对工件进行吹砂处理和清洗处理；(2)工件的装挂：将工件放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10－3Pa；(3)对所需处理的材料表面进行冲击强化主要参数范围：能量密度：5～15J/cm²，脉冲宽度：10～30μs，脉冲次数：15～30次；(4)开真空室，检验工件表面质量。本发明涉及使用脉冲电子束冲击强化设备对钛合金材料进行表面强化，强化后可在材料表层和次表层引入残余压应力场，其中表面残余压应力达到－101.9MPa，强化后可显著钛合金材料的疲劳性能和表面硬度。

Description

钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法，属于金属材料的表面处理与改性技术领域。

背景技术

近年来，在航空、航天和船舶等领域，钛合金使用越来越广泛，而对钛合金材料性能的要求也越来越高，但是钛合金材料表面敏感性和与应力集中敏感性强的特点，极大制约了其强度潜力的发挥。喷丸、挤压和滚压等传统的表面强化技术在通过外力使得材料表面发生弹塑形变，在表层引入残余压应力场，从而降低材料的表面应力集中敏感性，提高材料的抗疲劳性能。但是这些传统工艺不易精确控制，容易造成过度强化，不仅无法达到强化效果，甚至成为弱化因素。脉冲电子束冲击表面强化技术是通过电子束的冲击，在材料表层和次表层引入残余压应力场，提高材料的抗疲劳性能和表面硬度，达到强化的目的。与传统工艺相比，脉冲电子束冲击表面强化技术可通过对能量密度、脉冲次数和脉冲宽度等参数的调节来实现精确控制，实现最佳强化效果。但目前尚未在钛合金表面强化处理上得到应用。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法，其目的是将脉冲电子束冲击表面强化方法应用到钛合金材料上，通过对能量密度、脉冲次数和脉冲宽度等参数的调节来实现精确控制，实现最佳强化效果。强化后在材料表层引入残余压应力场，并显著提高其表面显微硬度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法，该方法的步骤是：

(1)工件的准备：

对工件进行吹砂处理，然后将工件放在5～10％水基清洗剂溶液的超声波清洗机中清洗10～20min，用清水漂洗干净，工件表面应有均匀水膜附着，否则应重新清洗，清洗后脱水、吹干、真空干燥；

(2)工件的装挂：

工件从真空干燥箱中取出后，装在夹具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10^-3Pa，启动脉冲电子束设备，加载高压；

(3)对所需处理的材料表面进行冲击强化

主要参数范围：能量密度：5～15J/cm²，脉冲宽度：10～30μs，脉冲次数：15～30次；

(4)开真空室，检验工件表面质量。

脉冲电子束冲击表面强化方法可以在钛合金材料表层引入残余压应力场，对于疲劳强度受控于疲劳裂纹源萌生的钛合金材料，该应力场通过改变源的萌生位置来提高其疲劳性能。脉冲电子束冲击强化后在材料表面形成强化层，提高材料的抗疲劳性能和表面硬度，达到强化的目的。

附图说明

图1为纳米压痕仪加载曲线

图2为TC4-1钛合金硬度分布

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

采用本发明技术方案对对钛合金材料(TC4)进行冲击强化，提高材料的力学性能。

采用脉冲电子束冲击强化设备对钛合金材料进行强化处理的具体步骤如下：

采用本发明技术方案对TC4材料进行脉冲电子束强化处理，并对强化后的试样进行表面残余应力测定和显微硬度测定。

采用脉冲电子束设备对钛合金材料进行处理的具体步骤如下：

1开机

启动设备，加载高压。

2工件

2.1处理检查：检查工件表面质量，进行吹砂处理。

2.2清洗

a.将工件放在5～10％水基清洗剂溶液的超声波清洗机中清洗10～20min；

b.用清水漂洗干净(干净叶片表面应有均匀水膜附着，否则应重新清洗)，脱水，吹干；

c.真空干燥。

2工件装挂

a.对真空干燥箱充气，取出工件；

b.将工件装于夹具上；

c.将装有工件的夹具装于真空室的工位上。

3冲击工件

3.1真空室的真空度P＜6.67×10^-3Pa时，进行冲击处理TC4-1试样采用的工艺参数为：

能量密度：10J/cm²，脉冲宽度：30μs，脉冲次数：15次；

3.2开真空室

确定真空计及高阀均处于关闭状态，向真空室充气。

3.3抽真空

a.关真空室门，开低阀；

b.真空度P＜4.5Pa时，开高阀。

4检查表面质量

残余应力测试结果：强化前：202.9MPa(拉应力)；强化后：-101.9MPa(压应力)。说明强化前，材料表面是热处理和机械加工过程中产生的残余拉应力，而在疲劳过程中，残余拉应力与外加载荷叠加，提高了有效载荷，损害材料的疲劳性能；强化后，表面拉应力转变为压应力，压应力产生与拉应力相反的作用，能够有效提高材料的疲劳性能。

纳米压痕试验采用Tribolndenter型纳米压痕仪进行硬度测量。该压痕仪采用压头。其他试验参数为：最大载荷为1000nN，加载和卸载速率为100Nn/s，最大载荷处持续加载10s。加载曲线如下图1所示。

图2所示为经过脉冲电子束强化处理过的TC4钛合金材料试样显微硬度沿层深的分布，表1给出了TC4-1试样截面硬度变化情况

表1TC4-1试样截面硬度变化情况

如图2所示，结合表1中的数据可知，经过脉冲电子束强化处理后，材料表面硬度得到了显著提高，强化层深度为55μm。

与现有技术相比，本技术方案有以下几方面优点：

(1)强化工艺参数可精确控制；

(2)在材料表面引入残余压应力；

(3)提高表面硬度；

(4)提高疲劳性能。

Claims (1)

1.钛合金材料的脉冲电子束冲击表面强化方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)工件的准备：

对工件进行吹砂处理，然后将工件放在5～10％水基清洗剂溶液的超声波清洗机中清洗10～20min，用清水漂洗干净，工件表面应有均匀水膜附着，否则应重新清洗，清洗后脱水、吹干、真空干燥；

(2)工件的装挂：

工件从真空干燥箱中取出后，装在夹具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10^-3Pa，启动脉冲电子束设备，加载高压；

(3)对所需处理的材料表面进行冲击强化

主要参数范围：能量密度：5～15J/cm²，脉冲宽度：10～30μs，脉冲次数：15～30次；

(4)开真空室，检验工件表面质量。

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