CN101624691A - 一种钛合金材料表面纳米化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金材料表面纳米化处理方法，其步骤如下：首先将超声波表面强化处理装置垂直对准处理工件表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置，使所述超声波表面强化处理装置针对待处理工件机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密排处理。本发明的钛合金材料表面纳米化处理方法采用塑形变形方法和相当大的变形速度处理工件表面，使待处理工件的疲劳强度，腐蚀抗力，屈服和断裂点，磨损阻抗，光的折射系数增加，并且使材料表面致密化，尺寸减小，密度增加。

Description

一种钛合金材料表面纳米化处理方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金材料表面纳米化处理方法，特别涉及一种用于钛合金材料表面处理的超声波处理方法。

背景技术

金属材料的表面纳米化有各种各样的方法。利用严重塑性变形方法可使金属材料的微米晶粒细化形成超细晶或纳米晶，这类方法包括等通道转角挤压、高压扭转(HPT)、表面机械研磨(SMAT)和高能球磨(HEBM)等。其中表面机械研磨和高能球磨属于高应变率(ε&＞103/s)的塑性变形方法。

表面机械研磨(SMAT)是近几年发展起来的一项新的表面纳米化技术。研究结果表明，在SMAT中由于受弹丸的高速、多方位重复冲击，材料表层的粗晶组织通过产生强烈的高应变率塑性变形而逐渐细化至纳米量级(10-30nm)。

大量的TEM观察结果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位错、界面(晶界)等晶体缺陷，从而使晶粒发生破碎，其破碎程度取决于应变和应变率的大小。随着材料表层深度的减小，应变和应变率逐渐增加，从基体到表面可依次产生形变粗晶层、细化结构层和纳米结构层(厚度为10-50μm)。

在形变粗晶层中，材料的粗晶组织通常可产生位错、层错、孪晶等缺陷，以此来协调塑性应变；在细化结构层中，应变和应变率有所增加，位错(或孪晶)的数量增多，相互作用更加频繁，因而可形成小尺寸的位错胞或孪晶，同时其界面(晶界)的取向差也逐渐增大；而在纳米结构层中，应变和应变率急剧增加，位错胞尺寸或孪晶尺寸可进一步减小至纳米量级，通过位错湮灭和重组、亚晶界的演变或孪晶的重复交割可最终形成取向呈随机分布的纳米晶。

此外，材料在SMAT中的微观组织演化还受到变形金属层错能和晶体结构等因素的影响。例如，bcc结构的高层错能金属Fe，由于其变形受位错滑移的控制，随着材料表层深度的减小，在各类变形层中可依次形成位错墙和位错缠结、亚晶及纳米晶等一系列微观组织。

而具有fcc结构的AISI304不锈钢，由于其低层错能性质限制了不全位错的交滑移，使得位错只能在各自的滑移面上运动，因而在形变粗晶层中可形成{111}平面的位错列、位错网格和层错；随着应变和应变率的增加，机械孪生开动，在细化结构层中可形成多系孪晶交割，并在孪晶交割处诱发马氏体相变。对于hcp结构的α-Ti、Co、Mg合金等材料，在形变粗晶层中以机械孪生变形为主，随着应变和应变率的增加，才逐渐产生位错滑移，同时伴有层错。可见，SMAT中金属材料变形的微观机制是应变、应变率、晶体结构、层错能等内外因素综合作用的结果。

除发生大晶粒破碎外，TEM的观察结果还表明，α-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出现了晶界结构完整，“洁净”、无应变的等轴状纳米晶，研究人员认为这是发生了动态再结晶的结果。而对于动态再结晶机制，也有人持不同的看法。例如，Zhu等人认为是由于亚晶发生旋转(旋转再结晶)所致。动态再结晶的发生表明在SMAT中存在由高应变、高应变率塑性变形所导致的绝热温升，并且它对纳米晶组织的演化也产生了作用。在探求SMAT中金属材料的表面纳米化机理时，这一问题不可忽视。

值得注意的是，由于在SMAT中弹丸对样品表面施加的多方位重复载荷可促进晶体的多系滑移和多系孪生变形，从而大大提高了材料的纳米化程度。

高能球磨(HEBM)技术是1970年代由Benjamin等人提出的。它以简单、低成本和对材料的广泛适用性等优点，在纳米晶材料的研究与制备方面发挥了重要作用。在HEBM中，金属粉末受研磨球、研磨罐的频繁碰撞而产生变形、冷焊、断裂等过程。原始粗晶在高应变率(ε&＞103/s)、多方向的重复载荷下可最终形成晶粒取向呈随机分布的纳米晶。

利用X射线衍射分析(XRD)测量晶粒尺寸的实验结果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下变化：在球磨初期，晶粒细化速度较快，晶粒尺寸迅速减小到某一值；进一步球磨，晶粒细化速度明显减慢，晶粒尺寸缓慢减小至某一稳态的晶粒尺寸；继续球磨，晶粒尺寸几乎不发生变化。通常，达到稳态后的晶粒尺寸在5-30nm范围。

此外，在2007年

等人将球磨形成的纳米晶Fe粉放入异丙醇液体中进行超声分散，随后利用磁场和重力场的共同作用还从中采集到了更小尺寸的纳米颗粒(2-4nm)。

以往对高能球磨中金属纳米晶的形成机制主要存在两种观点，即大晶粒的破碎机制和动态再结晶机制。由Fecht等人提出的大晶粒破碎机制主要包括三个阶段：1)在变形初期，通过产生局部变形形成具有高密度位错的剪切带；2)在一定的应变条件下，位错经湮灭和重组形成纳米尺寸(20-30nm)的亚晶，亚晶随进一步变形延续至整个样品；3)通过晶界滑动等可能的机制形成随机取向的纳米晶。Liu等人对球磨Fe和Fe-O。89C的TEM研究结果也符合这一机制的特征，所不同的是没有观察到剪切带组织。而Zhang等人通过对球磨形成的纳米晶Zn进行TEM观察与研究，提出了动态再结晶机制。

此外，Manna等人的研究结果表明，在金属Zr和Ti的高能球磨过程中，除晶粒发生细化形成纳米晶外，还分别发生了hcp→fcc同素异构转变。

对球磨粉末的DSC测量进一步表明，晶格位错弹性能占储存焓的比例很小，大部分储存焓来自于晶界焓的释放。为此有学者认为，随着晶粒尺寸的减小，晶界的体积分数不断增加，其塑性变形机制也由晶内的位错运动逐渐向晶界处转变，包括杂质堆积、晶界滑动以及晶界软化等机制。目前对于晶界处的塑性变形机制尚不十分清楚。

虽然变形材料的形态各异，外加载荷方式也有所不同，但经高应变率(ε&＞103/s)塑性变形后均实现了金属材料的纳米化(5-30nm)。而通常在ECAP、HPT等准静态塑性变形中形成的晶粒尺寸只能达到100-500nm。与ECAP等准静态变形相比，金属材料在高应变率条件下不仅受应变强化，还受到应变率强化的作用，因而可产生更高的流变应力，形成更小尺寸的晶粒。此外，经高应变率变形产生的绝热温升使得局部组织在变形中出现动态再结晶、相变等特殊现象，这更增加了变形组织演化的复杂性。

对于金属材料在高应变率条件下的晶粒细化与纳米晶的形成，借助于TEM、XRD、DSC等实验手段，目前已经取得阶段性的成果。利用TEM观察已较好地证实了晶粒在细化过程中形成的位错列、位错墙、位错缠结等组态以及纳米尺寸的亚晶、孪晶和再结晶晶粒的存在；选区电子衍射(SAED)和HREM还进一步表明了晶界取向差的变化和纳米晶的状态；利用XRD可表征材料的晶粒尺寸和微观应变的变化。尽管如此，到目前为止获得的实验数据还不够丰富，人们对于高应变率下纳米晶形成机制的认识也还有限。

如上所述，现有的表面纳米化研究包括高能喷丸表层纳米化(HSP)、表面机械研磨处理(SMAT)技术研究，该方法是用超声波震荡器激发起高能球使其以一定速度撞击于材料表面，使其表面不断产生塑性变形，最终实现表层纳米化。该方法能够形成表层纳米层，但是打击面粗糙，受到喷丸直径与速度的影响大，喷丸冲击面积不均匀，打击面的受冲击频率与密度只能是统计值。

钛合金属于较软金属材料，如何使之形成纳米表面一直是本技术领域急需要解决的难题。因此，提供一种大幅度提高钛合金疲劳性能、应力腐蚀性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金强韧化和结构功能一体化的超声波表面强化处理方法就成为该技术领域急需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大幅度提高钛合金疲劳性能、应力腐蚀性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金强韧化和结构功能一体化的超声波表面强化处理方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种钛合金材料表面纳米化处理方法，其步骤如下：

首先将超声波表面强化处理装置垂直对准处理工件表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置，使所述超声波表面强化处理装置针对待处理工件机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密排处理。

一种优选技术方案，其特征在于：所述超声波发生装置的冲头进给量为。0.05mm/r；机床主轴转速为400r/min；加工速度为100m m/min；加工往返两次；所述超声波发生装置的输出端振幅为30微米。

一种优选技术方案，其特征在于：所述超声波发生装置的冲头涂有乳化冷却液。

本发明的超声波表面强化处理装置包括超声波发生装置，通过导线与之相连接的超声波工作枪；所述超声波工作枪包括：冲头，波导管，套筒，外壳，超声波转换器，压力弹簧，制冷用压缩空气导管；所述冲头和所述波导管通过连接螺母与所述套筒相连接；所述波导管通过所述套筒与所述超声波转换器相连接，所述套筒与所述压力弹簧相连接，所述超声波转换器与所述压力弹簧位于所述套筒内；所述套筒外面设有外壳；所述套筒另一端与所述制冷用压缩空气导管相连接。所述超声波工作枪的外壳下端设有固定板。所述超声波转换器包括磁致伸缩换能器和与之相连接的压电换能器。所述冲头为硬质合金并且固定在固定架上，所述固定架再与所述波导管相连接。所述冲头为球面或关圆柱状。

有益效果：

本发明的钛合金材料表面纳米化处理方法采用塑形变形方法和相当大的变形速度处理工件表面，使待处理工件的疲劳强度，腐蚀抗力，屈服和断裂点，磨损阻抗，光的折射系数增加，并且使材料表面致密化，尺寸减小，密度增加。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是本发明超声波表面强化处理方法表面处理示意图。

图2是钛合金超声波处理后的表面纳米层的形貌图。

图3是超声波表面处理后，钛合金材料表面形成纳米层之下为一层较厚的变形层的形貌图。

图4a和图4b分别是超声波未处理面和处理面宏观应力测试结果图。

图5a和图5b分别为超声波处理前和超声波处理后的腐蚀情况对比图。

图6a和图6b分别为超声波处理前和超声波处理后的耐磨性试验结果对比图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，是本发明超声波表面强化处理方法表面处理示意图。图中1为待处理工件，2为超声波表面强化处理装置，3为车床卡盘，4支撑车床主轴，5为超声波表面强化处理装置的固定架。所述待处理工件1通过车床卡盘3和支撑车床主轴4夹持在车床上；所述超声波表面强化处理装置2固定在超声波表面强化处理装置的固定架5上。

所述超声波表面强化处理装置包括超声波发生装置，通过导线与之相连接的超声波工作枪；所述超声波工作枪包括：冲头，波导管，套筒，外壳，超声波转换器，压力弹簧，制冷用压缩空气导管；所述冲头和所述波导管通过连接螺母与所述套筒相连接；所述波导管通过所述套筒与所述超声波转换器相连接，所述套筒与所述压力弹簧相连接，所述超声波转换器与所述压力弹簧位于所述套筒内；所述套筒外面设有外壳；所述套筒另一端与所述制冷用压缩空气导管相连接。所述超声波工作枪的外壳下端设有固定板。所述超声波转换器包括磁致伸缩换能器和与之相连接的压电换能器。所述冲头为硬质合金并且固定在固定架上，所述固定架再与所述波导管相连接。所述冲头为球面或关圆柱状。

所述冲头为硬质合金，其工作端为耐磨球，其输出端圆弧直径为10毫米；冲头输出端超声振幅为10毫米。

对直径为80毫米的钛合金进行表面纳米化处理，其步骤如下：

首先将超声波表面强化处理装置2垂直对准待处理工件1表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置2，使所述超声波表面强化处理装置2针对待处理工件1机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密排处理。所述超声波发生装置的冲头进给量为0.05mm/r；所述超声波发生装置的输出端振幅为30微米。所述超声波发生装置的冲头涂有乳化冷却液。

所述待处理工件1通过车床卡盘3和支撑车床主轴4夹持在车床上；所述超声波表面强化处理装置2固定在超声波表面强化处理装置的固定架5上。

机床主轴转速为400r/min；加工速度为100m m/min；加工往返两次；选用乳化冷却液作为润滑剂；纳米冲头选用耐磨球，其输出端圆弧直径为12毫米；冲头输出端超声振幅为14毫米。

用JEOL 100-CX-I透射电子显微镜观测样品表面的微观组织。得到的钛合金超声波处理后表面纳米层形貌如图2所示。

如图2所示，超声波表面处理后，材料表面形成纳米层，表层组织得到均一化，表层晶粒平均尺寸为20nm。从图中可以看出超声波表面处理后晶体尺寸达纳米数量级和位错密度的增加。

图3是材料表面形成纳米层之下是一层较厚的变形层的形貌图。如图3所示，超声波表面处理后，钛合金材料表面形成纳米层之下是一层较厚的变形层，这一变形带晶粒形变，向狭长方向发展，并有一定的取向，表面形成残余压应力，表面粗糙度明显下降，晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。

超声波表面处理后，钛合金表面的残余压力有较大的提高，为原表面残余压应力的3倍以上。实验测定结果见图4a和图4b，超声波未处理面宏观应力测试结果为61.4Mpa，超声波处理面宏观应力测试结果为263.3Mpa。这样将使原来潜在的、或是已存在的微小表面裂纹被压合，欲使这些裂纹张开，首先要克服残余压应力的阻碍，尔后再克服裂纹启裂的阻力及疲劳裂纹启裂门槛值ΔKt和早期裂纹扩展阻力，这就使得裂纹成核的应力提高和裂纹成核周期提高和裂纹扩展速率降低，最终导至疲劳寿命大幅度提高。在较高疲劳应力作用下，裂纹往往在表面成核，所以表面形成的较致密的塑性变形层和压应力层，压应力层厚1.5-1.7mm，用超声方法有利于材料疲劳强度和寿命的提高。

钛合金超声波表面处理前、后试样的腐蚀试验：

腐蚀液为5.0％硝酸钾(KNO3)，0.65％硝酸(HNO3)，23.4％氯化钠(NaCl)，腐蚀时间为48小时。结果如表1所示：

表1.钛合金超声波处理前、后应力腐蚀实验结果

样品	功率(W)	旋转速度(转数/分钟)	超声波处理后应力腐蚀小时(550Mpa)	超声波处理前应力腐蚀小时(550Mpa)
					钛合金	200	125	800	1480

超声波处理前材料表面表面腐蚀出现大量的点蚀受点蚀面积约为90％、超声波处理后的腐蚀情况为出现少量的微小点蚀坑，受腐蚀面积约为原面积的7％。由此可以看出超声波处理后样品的耐腐蚀能力大幅度提高。

图5a和图5b分别为超声波处理前、后，钛合金的腐蚀情况对比；可以看出，应力腐蚀性能得到显著提高，其应力腐蚀寿命为未超声波处理的两倍。

耐摩擦性能试验：

清华大学国家摩擦磨损重点试验室进行的往复滑动摩擦实验，试验条件为正压力10N、往复摩擦频率为20Hz，摩擦系数为0.2，摩擦对为钢球。得到的试验结果见图6a和图6b。如6a和图6b所示，超声波处理后的试样的耐磨性为超声波处理前样品的两倍半到三倍。

残余应力试验：

本发明用X光方法分析钛合金超声处理前、后的表面残余应力形态，结果得出，超声处理前表面残余应力为60Mpa，而超声处理后表面残余应力为200Mpa，增加到三倍以上。

对钛合金的分析表明：经过表面超声冲击处理后，样品表层的晶粒可细化至纳米量级，表面的晶粒尺寸约为10nm，随着至表面距离的增加，晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构。在表面附近发生强烈塑性变形的区域，显微组织由纳米晶组成(10～100nm)；经过表面超声冲击处理后，材料在表面附近发生的变化可归纳为：表面纳米化及梯度结构；残余压应力的存留，材料表面活性的增加，这些表面特性的综合改变使得高强高韧新型钛合金材料的疲劳性能、应力腐蚀性能、耐磨性等均有较大幅度的提高，为高强高韧新型钛合金材料强韧化和结构功能一体化的新概念、新技术的实现提供了发展空间。

Claims (3)

1、一种钛合金材料表面纳米化处理方法，其步骤如下：

首先将超声波表面强化处理装置垂直对准处理工件表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置，使所述超声波表面强化处理装置针对待处理工件机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密排处理。

2、根据权利要求1所述的钛合金材料表面纳米化处理方法，其特征在于：所述超声波发生装置的冲头进给量为0.05mm/r；机床主轴转速为400r/min；加工速度为100m m/min；加工往返两次；所述超声波发生装置的输出端振幅为30微米。

3、根据权利要求2所述的钛合金材料表面纳米化处理方法，其特征在于：所述超声波发生装置的冲头涂有乳化冷却液。

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