CN101591758A - 一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，该方法使用压入式喷丸机对γTiAl表面进行喷丸处理，喷丸参数：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80°～90°角，喷丸枪与试样之间的距离为14～16cm，喷丸时间为80～100秒，喷丸强度为0.26Mpa～0.43Mpa，使得表面产生残余压应力，有利于疲劳寿命的增加。该方法可进一步发掘γTiAl金属间化合物的抗疲劳性能，以满足高性能燃气涡轮发动机发展要求。
Description
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，具体涉及一种提高γTiAll三点弯曲疲劳寿命的方法。
背景技术
目前，在航空及航天工业领域，为满足航空发动机及工业燃气涡轮机对材料的苛刻要求，研制了TiAl系合金，Ti-Al系金属间化合物的比重较低，具有较高的使用温度、高温强度、较好的抗氧化性能、抗蠕变性能和较高的弹性模量，在飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中以明显的优势而备受研究航空航天材料工作者们的重视，已成为新一代高温结构材料的研究方向和发展趋势之一。
目前钛铝金属间化合物的研究焦点放在γTiAl基合金的研究和开发上。γTiAl基合金作为侯选的航空用材料，它具有相当低的密度、高的高温强度和蠕变抗力等独特性能，而受到人们的广泛重视，但是其抵抗疲劳裂纹扩展的能力很低，同时TiAl基合金在很小载荷下就产生很大程度的损伤，这限制了其在工程上的使用。
TiAl疲劳破坏主要起源于试件表面承受应力最大处，通过表面喷丸技术使得高速飞行的弹丸与合金表面发生碰撞，产生喷丸应变层，在喷丸过程中，由于表面层金属材料的强烈塑性变形，表面层的应力状态发生了很大变化，即产生很高的残余压应力和微观应力。残余压应力和微观应力的存在，对TiAl的力学性能产生有利的影响。喷丸变形过程中，TiAl表面层产生很大的残余压应力，而内部则为拉应力。疲劳裂纹在表面层的形成及扩展的主要原因是由拉应力而引起的，而表面拉应力的减弱也就意味着零件抗疲劳强度的提高。应力强化的机制是喷丸所形成的一定深度的残余压应力场不仅可以抑制疲劳裂纹的萌生，而且可以增加裂纹的闭合效应来减小疲劳短裂纹的扩展速率，甚至出现止裂现象。因为引入的残余压应力可以抵消外界拉应力对材料的作用，拉应力越小，材料表面微观裂纹周围的应力集中越低，因此可以抑制裂纹的形成和扩展。喷丸强化引入的残余压应力场可以将疲劳裂纹源由表面驱赶到次表面层，从而显著提高材料的疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是为了改善现有喷丸技术γTiAl性能的影响，提供一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，该方法使用不锈钢弹丸，通过改变喷丸工艺参数，如弹丸直径、喷丸枪与试样表面的角度、喷丸枪与试样之间的距离、喷丸时间、喷丸强度，从而获得三点弯曲疲劳性能最佳的γTiAl。
所述的提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法通过如下步骤实现：
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态γTiAl合金进行热处理，热处理条件为1250℃，175Mpa，4h，热等静压后的锭子在真空中进行去应力退火处理。
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将第一步中制备的γTiAl合金用线切割的方法切出三点弯曲标准试样。
对三点弯曲标准试样进行表面打磨，打磨条件：采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸逐步打磨试样表面，然后用丙酮超声清洗并烘干。
第三步，喷丸；
采用压送式喷丸机，喷丸参数：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80～90度角，喷丸枪与试样之间的距离为14～16cm，喷丸时间为80～100秒，喷丸强度0.26Mpa～0.43Mpa。
对未喷丸试样和喷丸试样进行三点弯曲疲劳寿命测试，三点弯曲实验在Instron疲劳饲服机上进行，根据国标，三点弯曲试样尺寸比例为1∶2∶8，将应力水平δmax定在1600N，1800N，应力比R为0.1，正弦波频率为30Hz，每个试验点重复三次试验，发现喷丸后试样的疲劳寿命比未喷丸试样疲劳寿命有了很大的提高。
本发明的优点在于：
(1)通过喷丸技术有效提高了γTiAl室温疲劳寿命；
(2)本发明提供的喷丸方法相比于众多γTiAl表面改性技术(如激光熔覆，离子注入，磁控溅射制备涂层等)中成本最低，实验设备最普遍，实验操作最简单。
附图说明
图1本发明方法的流程图；
图2三点弯曲试样及表面喷丸位置示意图；
图3实施例1中试样喷丸前后应力为水平为1600N弯曲疲劳寿命变化图；
图4实施例1中试样喷丸前后应力为水平为1800N弯曲疲劳寿命变化图；
图5实施例2中试样喷丸前后应力为水平为1600N弯曲疲劳寿命变化图；
图6实施例2中试样喷丸前后应力为水平为1800N弯曲疲劳寿命变化图；
图7实施例3中试样喷丸前后应力为水平为1600N弯曲疲劳寿命变化图；
图8实施例3中试样喷丸前后应力为水平为1800N弯曲疲劳寿命变化图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法流程如图1所示，通过如下步骤实现，
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态γTiAl合金进行热处理，热处理条件为1250℃，175Mpa，4h，热等静压后的锭子在真空中进行去应力退火处理。
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将第一步中制备的γTiAl合金用线切割的方法切出三点弯曲标准试样。
对三点弯曲标准试样进行表面打磨，打磨条件：采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸逐步打磨试样表面，然后用丙酮超声清洗并烘干。
第三步，对试样进行喷丸；
采用压送式喷丸机，喷丸参数：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80～90度角，喷丸枪与试样之间的距离为14～16cm，喷丸时间为80～100秒，喷丸强度0.26Mpa～0.43Mpa。
实施例1：一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，具体实现步骤如下：
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态γTiAl进行在1250℃，175Mpa，4h的热处理，热等静压后的锭子真空900℃，12h去应力退火。
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将所述γTiAl合金用线切割切出3mm×6mm×32mm的三点弯曲试样，见图2。
喷丸表面打磨条件：采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸逐步打磨试样表面，然后用丙酮超声清洗并烘干。
第三步，对试样进行喷丸；
用压送式喷丸机经过以下喷丸参数对材料表面进行喷丸：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成90°角，喷丸枪与试样之间的距离为16cm，喷丸时间为90秒，喷丸强度为0.38Mpa。喷丸位置如图2所示。
利用XRD重心法测出喷丸前后的试样表面残余应力如表1所示，喷丸后试样表面残余应力为压应力，压应力的存在有利于疲劳寿命的增加。
表1XRD重心法测得残余应力
| 试样种类 | 表面残余应力(MPa)(正值-拉应力；负值-压应力) |
| 未喷丸试样 | 65.17 |
| 喷丸强度为0.38Mpa的试样 | -335.67 |
将上述制的三点弯曲试样在Instron疲劳饲服机上进行应力水平为1600N，1800N，应力比R为0.1，正弦波频率为30Hz的三点弯曲疲劳试验。测得疲劳寿命见图3、图4所示，在应力水平为1600N，1800N条件下，喷丸后材料的平均疲劳寿命是未喷丸材料平均疲劳寿命的7倍。
实施例2：一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，具体实现步骤如下：
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态γTiAl进行在1250℃，175Mpa，4h，热等静压后的锭子真空900℃，12h去应力退火。
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将所述γTiAl用线切割切出3mm×6mm×32mm的三点弯曲试样。
喷丸表面打磨条件：采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸逐步打磨试样表面，然后用丙酮超声清洗并烘干。
第三步，对试样进行喷丸；
用压送式喷丸机经过以下喷丸参数对材料表面进行喷丸：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成85°角，喷丸枪与试样之间的距离为15cm，喷丸时间为100秒，喷丸强度为0.26Mpa。
利用XRD重心法测出喷丸前后的表面残余应力见表2，喷丸后压应力的存在有利于疲劳寿命的增加。
表2XRD重心法测得残余应力
| 试样种类 | 表面残余应力(MPa)(正值-拉应力；负值-压应力) |
| 未喷丸试样 | 65.17 |
| 喷丸强度为0.26Mpa的试样 | -349.83 |
将上述制的三点弯曲试样在Instron疲劳饲服机上进行应力水平为1600N，1800N，应力比R为0.1，正弦波频率为30Hz的三点弯曲疲劳试验。测得疲劳寿命见图5、图6。可以发现在1600N的应力水平下，喷丸后材料的平均疲劳寿命是未喷丸试样平均疲劳寿命的6倍；1800N的应力水平下，喷丸后材料的平均疲劳寿命是未喷丸试样平均疲劳寿命的9.5倍。
实施例3：一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，具体实现步骤如下：
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态Ti-48at％Al-2at％Cr-2at％NbTiAl进行在1250℃，175Mpa，4h，热等静压后的锭子真空900℃，12h去应力退火。
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将所述γTiAl用线切割切出3mm×6mm×32mm的三点弯曲试样。
喷丸试样表面打磨条件：采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸逐步打磨试样表面，然后用丙酮超声清洗并烘干。
第三步，对试样进行喷丸；
用压送式喷丸机经过以下喷丸参数对材料表面进行喷丸：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80°角，喷丸枪与试样之间的距离都为14cm，喷丸时间均为80秒，喷丸强度为0.43Mpa。
利用XRD重心法测出喷丸前后的表面残余应力见表3，喷丸后压应力的存在有利于疲劳寿命的增加。
表3XRD重心法测得残余应力
| 试样种类 | 表面残余应力(MPa)(正值-拉应力；负值-压应力) |
| 未喷丸试样 | 65.17 |
| 喷丸强度为0.38Mpa的试样 | -319.59 |
将上述制的三点弯曲试样在Instron疲劳饲服机上进行应力水平为1600N，1800N，应力比R为0.1，正弦波频率为30HZ的三点弯曲疲劳试验。测得疲劳寿命见图7、图8。可以发现1600N的应力水平下，喷丸后材料的平均疲劳寿命是未喷丸试样平均疲劳寿命的2.7倍；1800N的应力水平下，喷丸后材料的平均疲劳寿命是未喷丸试样平均疲劳寿命的3倍。
Claims (4)
1、一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，制备γTiAl合金；
将铸态γTiAl合金进行热处理和真空去应力退火；
第二步，制备γTiAl合金三点弯曲试样；
将所述γTiAl用线切割切出三点弯曲试样；
表面打磨后用丙酮超声清洗并烘干；
第三步，对试样进行喷丸；
采用压送式喷丸机，喷丸参数：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80°～90°角，喷丸枪与试样之间的距离为14～16cm，喷丸时间为80～100秒，喷丸强度为0.26Mpa～0.43Mpa。
2、根据权利要求1所述的一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤三中的喷丸参数为：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成90°角，喷丸枪与试样之间的距离为16cm，喷丸时间为90秒，喷丸强度为0.38Mpa。
3、根据权利要求1所述的一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤三中的喷丸参数为：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成85°角，喷丸枪与试样之间的距离为15cm，喷丸时间为100秒，喷丸强度为0.26Mpa。
4、根据权利要求1所述的一种提高γTiAl三点弯曲疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤三中的喷丸参数为：不锈钢弹丸直径为0.25mm，喷丸枪与试样表面成80°角，喷丸枪与试样之间的距离为14cm，喷丸时间为80秒，喷丸强度为0.43Mpa。
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