CN102505068A - 预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，在传统喷丸的基础上预先施加拉应力，喷丸后卸载，通过拉应力卸载后引起的材料整体的弹性回复来改善材料表面性能，利用三点弯曲对钛基复合材料预加拉应力300MPa，对预应力加载后的材料进行喷丸处理，卸载预应力，进行表面性能测试。与现有技术相比，本发明采用预应力喷丸能够显著优化材料表层残余压应力分布，提高残余压应力总体层深，细化表层晶块尺寸，大幅度提高表层硬度，所以预应力喷丸能够有效地改善钛基复合材料的表面性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料表面处理的方法，尤其是涉及一种利用预应力喷丸的方法来改善钛基复合材料的表面性能。
背景技术
基于优异的综合性能，钛基复合材料一直被认为是新一代的金属基复合材料，但其表面性能还需要进一步的改善和提高。表面性能主要包含表面应力和组织结构。从表面应力方面分析，组件在机械加工或表面处理后，或多或少会引入残余应力，如果表面出现残余拉应力，会导致微裂纹的萌生和扩展，从而形成开裂，使材料的疲劳性能降低；如果表面出现残余压应力，则能够抵消全部或者部分外加拉应力，使材料的疲劳性能得以提高。从表面组织结构分析，如果表面晶块尺寸较小，硬度很大，这样可以提高材料的表面耐磨性。喷丸处理是金属材料重要的表面强化手段，通过在材料表层引入残余压应力场和细化晶粒层，可以改善金属材料的表面性能，是工业中较为常用的表面处理方法。喷丸后表面性能的重要参数有表面残余压应力值、最大残余压应力值及其对应层深，和表面显微硬度。
经对现有技术文献的检索发现，Xue，L.等人在会议论文“A survey of surfacetreatments to improve the fretting fatigue resistance of Ti-6Al-4V”(Proc.Conf.Computer Methods and Experimental Measurements for Surface Treatment Effects，Milan，Italy，7-9June 1995，pp.265-272)中介绍了三类表面处理的方法，主要包括传统喷丸处理，原子渗透，表面涂层。在这三类方法中，虽然提到传统喷丸处理能够更好的提高材料表面的磨损疲劳性能，但是无法使残余压应力达到最佳的分布状态，得到的残余压应力局部还会处于不稳定状态，在外加应力和加热过程中容易松弛，不能适应现代生产日益增长的对材料高性能的要求，因而需要寻求新的喷丸方法和工艺，以进一步提高材料的表面性能。另外，目前对钛基复合材料的喷丸研究还很少，尤其对表面性能的系统研究，都需要改进和完善。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种显著优化材料表层残余压应力分布，提高残余压应力总体层深，细化表层晶块尺寸，大幅度提高表层硬度的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，包括以下步骤：
(1)喷丸前预应力的加载：预加应力为拉应力，加载大小应小于材料的屈服强度的一半，预应力的加载方式为三点弯曲加载。
工作原理：预应力喷丸是在传统喷丸的基础上预先对材料施加拉应力，喷丸后预应力未卸载时，材料表层应力状态和未施加预应力时喷丸表层应力状态相同。当预加的拉应力卸载后，由于材料整体的弹性回复，喷丸残余压应力会大幅度提高。在预应力喷丸前，预加拉应力的临界值为0.5倍材料屈服强度，当预应力小于临界值时，残余压应力的提高与预应力成正比，随着预应力的增加而提高，材料也不会发生塑性变形，而当预应力超过临界值时，由于在卸载过程中产生了反向局部塑性变形，必然造成残余应力松弛和局部塑性变形，喷丸残余应力反而呈递减趋势。因此预应力的加载大小应小于材料屈服强度的一半。通过三点弯曲方式加载预应力，可以通过改变凸面曲率调节拉应力的大小，方法简单有效，实现起来也比较容易。
(2)喷丸参数的选择：喷丸处理的参数一般包括喷丸方式，喷丸强度，喷丸时间和喷丸弹丸。喷丸方式采用气动式喷丸设备；喷丸强度需要根据材料具体选择，喷丸强度通常用Almen试片弧高(mmA)表示，对于钛基复合材料，选择介于0.2～0.5mmA的喷丸强度；喷丸时间0.5～1.5分钟；所用的喷丸弹丸分为铸钢丸(大直径，硬度较小)和陶瓷丸(小直径，硬度较大)，可根据具体喷丸材料和喷丸条件进行选择，钛基复合材料的预应力喷丸，选择陶瓷丸。
工作原理：气动式喷丸机利用高气压和气流将喷丸弹丸均匀地喷打在材料的表面，使表面形成一层变形层，利用这种方法得到的形变层均匀，气压容易控制，而且操作简单。在喷丸强度方面，较低的喷丸强度会造成喷丸效果不佳，而过高的喷丸强度则会造成表面粗糙度过大和表面质量降低，从而影响材料的表面性能。喷丸强度的选择至关重要，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA，高强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA。喷丸时间的选择是依据Almen试片达到规定喷丸强度和饱和喷丸强度的时间而定，对Almen试片进行喷丸，达到这两项的时间分别为0.5和1.5分钟左右，继续延长喷丸时间，喷丸强度基本不变，表面性能处于相对稳定状态，如果再继续喷丸，则又会破坏表面性能的相对稳定状态，产生表面裂纹或凹坑，降低表面性能。对于喷丸弹丸的选择也要根据具体材料而定，如果材料强度比较高，并且对材料表面粗糙度要求不是特别高的情况下，一般选择铸钢丸，如果材料强度不高，同时对材料表面粗糙度要求很高，一般选择陶瓷丸，如果材料强度很高，对表面粗糙度的要求也很高，可以先选择铸钢丸，再选择陶瓷丸。选择适当的喷丸强度、喷丸时间和喷丸弹丸，可以得到最优的表面性能。
(3)预应力喷丸后表面变形层的性能测试：表面变形层的性能测试主要包括残余应力随层深的分布，晶块尺寸随层深的分布，显微硬度随层深的分布。逐层的层深可以利用化学腐蚀方法得到。
工作原理：距离表层不同深度可以利用化学腐蚀方法得到，所用腐蚀溶液为硝酸和氢氟酸的混合水溶液(VH2O∶VHNO3∶VHF＝31∶12∶7)，钛基复合材料的化学腐蚀速率大约10-15μm/min.残余应力的测量利用X射线应力仪测量，测量三个方向的残余应力：沿预应力加载方向、与预应力加载方向成45°、垂直预应力加载方向。通过测试结果分析三个方向的残余应力的变化规律。晶块尺寸通过X射线衍射仪测得的衍射峰的积分宽度计算得到，积分宽度通过Voigt方法获得。显微硬度的测量是利用维氏硬度测量原理，通过测量维氏压痕的对角线长度转化计算表面硬度(维氏硬度)的大小。通过这些方法，可以对预应力喷丸后表面变形层的性能变化做更精确的评估。
与现有技术相比，本发明通过预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法弥补了传统喷丸的不足，结合了传统喷丸和应力喷丸技术的优点，系统研究了钛基复合材料预应力喷丸后的表面性能，可以最大程度的优化钛基复合材料表层残余应力分布，同时可以较大程度地提高材料表面显微硬度。本方法的工作原理成熟，实施方案简便易行。
附图说明
图1为预应力喷丸示意图；
图2为沿加载方向的表层残余应力分布；
图3为与加载方向成45°方向的表层残余应力分布；
图4为垂直加载方向的表层残余应力分布；
图5为喷丸后表层晶块尺寸大小分布；
图6为喷丸后表层显微硬度分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)实验材料
原位生成(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V复合材料，增强体体积分数为8％，喷丸试样尺寸40×10×2mm3，样品编号为1，2号。
(2)传统喷丸
利用气动式喷丸机，对1号试样进行传统喷丸处理，气压0.5MPa，时间0.5min，所用喷丸介质为陶瓷弹丸，平均直径0.2mm，喷丸机喷嘴直径为15mm，距离试样表面100mm，喷丸强度0.2mmA，喷丸覆盖率100％。
(3)应力喷丸
喷丸前，利用三点弯曲法，对2号试样预加拉应力300MPa，喷丸条件与传统喷丸相同。
(4)残余应力分析
利用X射线衍射应力仪，测量上述1，2号喷丸样品表层残余应力分布，测试方向为三个方向，如图1所示，显示了预应力喷丸的示意图及测试方向。残余应力结果分布如图2～4所示。比较这三个图可以发现，预应力喷丸后三个方向的表层残余压应力都显著提高，并且分布均匀，由于所用材料为多晶各向同性材料，所以三个方向的变化趋势都相同。另外，在残余压应力提高幅度方面，沿加载方向的残余压应力提高的幅度要略大于其它两个方向，这主要是由于预加的拉应力卸载后，沿加载方向的材料整体的弹性回复大于其他两个方向，导致沿加载方向的残余压应力会大幅度提高。从2～4图中还可知，预应力喷丸后样品的三个方向最大残余压应力对应层深都变大。
(5)表层晶块尺寸和显微硬度分析
利用X射线衍射仪得到衍射峰的积分宽度去计算表层的平均晶块尺寸分布，如图5所示，与传统喷丸相比，预应力喷丸后表层晶块尺寸发生了明显的细化，并且随着层深的增加，晶块尺寸逐渐变大。显微硬度的测量利用数字显微硬度测试仪测得，显微硬度随层深的变化如图6所示，与传统喷丸相比，预应力喷丸后表层显微硬度大幅度提高。喷丸后预应力未卸载时，材料表层应力状态和未施加预应力时喷丸表层应力状态相同。当预加的拉应力卸载后，材料整体的弹性回复变大，位错运动加剧，作为位错沉积源的增强体粒子和表层的细化晶粒会阻碍位错运动，导致表层显微硬度的提高。
综合分析结果可知，与传统喷丸相比，预应力喷丸能够显著优化钛基复合材料表层残余压应力分布，提高残余压应力总体层深，细化表层晶块尺寸，大幅度提高表层硬度。而且由于预喷丸过程中形成了更大的位错密度和更稳定的位错结构，使预应力喷丸的钛基复合材料在疲劳过程中不易松弛，即疲劳性能进一步提高。所以预应力喷丸改善了钛基复合材料的表面性能。
实施例2
预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，包括以下步骤：
(1)制备尺寸规则的钛基复合材料；
(2)利用三点弯曲对钛基复合材料预加拉应力，加载的拉应力小于钛基复合材料的屈服强度的一半，本实施例中拉应力为300MPa；
(3)对预应力加载后的材料进行喷丸处理，采用的喷丸介质为陶瓷弹丸，喷丸强度为0.1mmA，喷丸时间为1.5min；
(4)卸载预应力，对预应力喷丸改善后的钛基复合材料表面进行表面性能测试即可，利用X射线衍射方法测定不同喷丸工艺下不同方向的表层残余应力分布，用X射线衍射峰的积分宽度计算表层的平均晶块尺寸分布，用数字显微硬度测试仪测量表层显微硬度。
Claims (6)
1.预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，该方法在传统喷丸的基础上预先施加拉应力，喷丸后卸载，通过拉应力卸载后引起的材料整体的弹性回复来改善材料表面性能，具体包括以下步骤：
(1)制备尺寸规则的钛基复合材料；
(2)利用三点弯曲对钛基复合材料预加拉应力，加载的拉应力小于钛基复合材料的屈服强度的一半；
(3)对预应力加载后的材料进行喷丸处理；
(4)卸载预应力，对预应力喷丸改善后的钛基复合材料表面进行表面性能测试即可。
2.根据权利要求1所述的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的拉应力为300MPa。
3.根据权利要求1所述的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的喷丸处理选择的喷丸介质为陶瓷弹丸，喷丸强度为0.1-0.5mmA，喷丸时间为0.5-1.5min。
4.根据权利要求1所述的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的喷丸处理选择的喷丸介质为陶瓷弹丸，该陶瓷弹丸的平均直径0.2mm，喷丸强度0.2mmA，喷丸时间0.5min。
5.根据权利要求1所述的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的表面性能测试包括表层残余应力分布测试、平均晶块尺寸分布测试及表层显微硬度测试。
6.根据权利要求5所述的预应力喷丸改善钛基复合材料表面性能的方法，其特征在于，利用X射线衍射方法测定不同喷丸工艺下不同方向的表层残余应力分布，用X射线衍射峰的积分宽度计算表层的平均晶块尺寸分布，用数字显微硬度测试仪测量表层显微硬度。
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