CN102373321A - 一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，本方法的步骤如下：第一步：通过测试，找出材料饱和残余压应力场下的临界应变硬化率；第二步：确定材料临界应变硬化率的喷丸强化工艺参数；第三步：使用第二步得到的工艺参数进行喷丸强化处理。与现有技术相比，本发明技术方案具有低应变硬化率的特点，所以其喷丸残余压应力场热稳定性强，适用于在较高温度下使用的金属零件的表面强化处理，以延长其疲劳寿命，提高其抗疲劳性能。

Description

一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法

技术领域

本发明是一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，属于金属材料的表面喷丸强化技术领域。

背景技术

由于航空发动机多以疲劳方式发生失效，因此对疲劳性能的要求较高。先进高温合金材料强度越来越高，但随之而来的是其应力集中敏感度高，其疲劳强度随K_t值的提高大幅度下降。并且零件疲劳裂纹多萌生于应力集中部位。工程中常使用表面喷丸强化技术来改善零件的疲劳性能和使用可靠性。

喷丸强化抗疲劳机理是：弹丸高速冲击材料表面，在表层引入残余压应力场，残余压应力抵消零件服役过程中受到外加载荷，起到降低实际有效载荷的作用，从而提高零件的服役寿命和使用可靠性。喷丸强化技术在飞机机体零件中已得到广泛，但是对高温合金零件的喷丸强化效果却不理想，主要原因是喷丸残余应力在高温下松弛显著，松弛后的残余压应力值较低，强化效果较差。为解决残余应力高温松弛的问题，国内外做了大量的研究，并引入应变硬化率的概念(cold working％)，研究结果表明，残余压应力力由应变产生，但是过高的应变硬化率不利于其残余应力场的稳定性，所以，以低应变硬化率的表面喷丸强化获得稳定的残余压应力场，是解决高温合金零件的喷丸强化技术难题。

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控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，其目的是解决现有喷丸技术的残余压应力场热稳定性差，不适用于高温合金零件强化处理的问题。利用应变硬化率的控制，实现稳定残余应力场的喷丸处理，延长高温合金材料的疲劳寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)将高温合金材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值作为表征残余压应力场的三个参量，采用X射线衍射残余应力测定方法测定从小到大不同喷丸应变硬化率下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值；

(2)分析步骤(1)得到的数据，当金属材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值随着应变硬化率的增大而达到饱合时，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值；

在应变硬化率较小的情况下，随着应变硬化率较增大，表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力将逐渐增大，当应变硬化率达到某一数值时，表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力达到饱和；

(3)将应变硬化率的临界点数值所对应的、步骤(1)中已经实施过的用于测定该临界点数值下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值的表面喷丸强化工艺，作为该种高温合金材料实际生产加工中使用的的表面喷丸强化工艺。

上述步骤(2)中，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值后，对该数值进行修正，修正后的取值为：

C1≤C2≤C1+0.08×C1

式中：C1为步骤(2)中确定的应变硬化率的临界点对应的数值，C2为修正后的取值。

本发明的有益效果是：在已有喷丸强化技术的基础上，通过控制喷丸应变硬化率来得到热稳定性更强的残余压应力场，适用于高温合金零件或在高温环境下使用的零件的喷丸强化处理。此外，本发明工作原理成熟，可在普通喷丸机上实施，方便易行。

附图说明

图1是实施例1中，不同应变硬化率的3号、4号和4号试样喷丸后残余应力随深度的分布曲线

图2是实施例1中，不同应变硬化率的3号、4号和4号试样喷丸后，再保温650℃，3小时后的残余应力随深度的分布曲线

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

本实施例的试验材料为高温合金GH4169，喷丸试样尺寸20mm×20mm×20mm小方块。

采用本发明所述控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法的步骤如下：

(1)将高温合金材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值作为表征残余压应力场的三个参量，采用X射线衍射残余应力测定方法测定从小到大不同喷丸应变硬化率下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值；

其中残余应力值采用X射线衍射法获得。不同应变硬化率下的残余压应力场特征见表1；

(2)分析步骤(1)得到的数据，当金属材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值随着应变硬化率的增大而达到饱合时，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值；

从表一可以看出，当应变硬化率由2％增加到8％时，随应变硬化率的提高，表面残余压应力值、最大残余压应力值和残余压应力场深度三个特征量随之增大，

当应变硬化率大于8％后，此三个特征值变化不大，趋于稳定，可认为当喷丸应变硬化率为8％时，3号试样的残余压应力场达到饱和，所以8％为应变硬化率的临界值。

表1不同应变硬化率下的残余压应力场特征

对于本实施例来说，不同应变硬化率对应的喷丸工艺参数见表2，可见当喷丸压力0.25MPa，流量3.5Kg/min，时间2mins时，GH4169试样的喷丸应变硬化率达到8％的临界值。

表2不同应变硬化率对应的喷丸工艺

将4号和6号作为对比实施例，与处于临界应变硬化状态的3号进行对比。3、4和6号试样保温650℃，3小时后的残余应力场特征值见表3所示。从表3可以看出，3号试样表面残余应力松弛率为14％、最大残余压应力值松弛率为11％，残余压应力场深度无改变；4号表面残余应力为35％，最大残余压应力值松弛率为27％，残余压应力场深度松弛率为15％；6号表面残余应力为53％，最大残余压应力值松弛率为26％，残余压应力场深度松弛率为26％。可见，处于临界应变硬化率状态下的3号试样喷丸残余压应力场的热稳定性最强。

表3：3、4和6号试样保温650℃，3小时后的残余应力场特征值

(3)将应变硬化率的临界点数值所对应的、步骤(1)中已经实施过的用于测定该临界点数值下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值的表面喷丸强化工艺，对于本实施例来说，该种高温合金表面喷丸强化工艺就是采用3号试样的加工参数，喷丸压力0.25MPa，流量3.5Kg/min，时间2mins，作为该种高温合金材料实际生产加工中使用的的表面喷丸强化工艺。

在本实施例中，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值后，可以对该数值进行修正，修正后的取值为：

C1≤C2≤C1+0.08×C1

式中：C1为步骤(2)中确定的应变硬化率的临界点对应的数值，C2为修正后的取值。应变硬化率的取值修正后，应采用与该修正后的取值相对应的该种高温合金的表面喷丸强化工艺作为该种高温合金材料实际生产加工中使用的的表面喷丸强化工艺。对于本实施例来说，与常规喷丸技术相比，本技术方案有以下几方面优点：

(1)在保证足够大的残余压应力场的前提下，降低应变硬化率，能够显著提高残余压应力的热稳定性；

(2)在保证足够大的残余压应力场的前提下，降低应变硬化率，能够降低喷丸时间，提高工作效率；

(3)在保证足够大的残余压应力场的前提下，降低应变硬化率，减小喷丸对零件表面的损伤，降低风险。

Claims (2)

1.一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)将高温合金材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值作为表征残余压应力场的三个参量，采用X射线衍射残余应力测定方法测定从小到大不同喷丸应变硬化率下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值；

(2)分析步骤(1)得到的数据，当金属材料的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值随着应变硬化率的增大而达到饱合时，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值；

(3)将应变硬化率的临界点数值所对应的、步骤(1)中已经实施过的用于测定该临界点数值下的表面残余压应力值、残余压应力深度和最大残余压应力值的表面喷丸强化工艺，作为该种高温合金材料实际生产加工中使用的的表面喷丸强化工艺。

2.根据权利要求1所述的控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，其特征在于：上述步骤(2)中，确定应变硬化率的临界点及临界点对应的数值后，对该数值进行修正，修正后的取值为：

C1≤C2≤C1+0.08×C1

式中：C1为步骤(2)中确定的应变硬化率的临界点对应的数值，C2为修正后的取值。