CN102925836A - 基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置，其特征所述的方法是首先对航空钛合金工件进行加热并使用激光器进行一次喷丸，以使材料内部发生动态应变时效来强化材料表面，并利用温度效应降低机械损伤，其次采用低于一次喷丸的能量和小于一次喷丸的光斑及工件温度进行二次激光喷丸，利用第二次喷丸的温度效应以及冲击效应修复材料表面损伤；最后利用XRD衍射检测装置对喷丸表面进行探测，对应力集中区域进行局部喷丸降低应力集中。本发明能大幅提高航空钛合金疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性。

Description

基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面强化以及激光加工技术，尤其是一种用于提高航空钛合金材料疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的温度辅助的激光喷丸强化方法及装置，具体地说是一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置。

背景技术

众所周知，钛合金因为具有强度高、密度小，耐蚀性好等优点而被广泛应用于航空航天、载运以及海洋工程等各个领域。但是钛及其合金，特别是航空钛合金的应力集中敏感性高，疲劳强度可靠性低以及高温力学性能稳定性差等问题一直得不到很好的解决，极大的限制了航空钛合金的应用范围。传统的强化手段，例如滚压以及激光喷丸等，在强化材料表面的同时也会出现表面深坑、应力集中和微裂纹等表面机械损伤，使得航空钛合金的疲劳强度数据表现出极大的分散性，并且无法提高其高温力学性能稳定性。因此，如何可靠的提高航空钛合金的疲劳性能以及高温力学性能稳定性已经成为国内外学者研究的焦点。

当前钛合金表面强化的手段主要有喷丸和滚压。

对于喷丸而言，目前常用的有机械喷丸和激光喷丸。机械喷丸是使用高速度的有质弹丸对材料表面进行冲击，从而实现表面强化。例如专利号为CN1334346A的专利申请提出了一种利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法，该方法利用高压空气向齿轮齿面投射大量的高速弹丸，实现齿轮齿面的强化。这种方法适合强化塑韧性较好的材料，但是对于航空钛合金等高硬度材料还有以下缺陷：（1）机械喷丸过程中，低速弹丸达不到理想的强化效果，高速弹丸又容易造成表面深坑、微裂纹等机械损伤，从而不能有效提高航空钛合金材料的疲劳强度；（2）机械喷丸的喷丸区域不易得到分布均匀的残余压应力，容易造成应力集中，降低疲劳强度的可靠性。激光喷丸是利用高能激光束与材料表面相互作用，金属表面吸收激光能量发生等离子爆炸产生冲击波，从而实现类似喷丸的强化效果。例如专利号为NO.4401477的美国专利提出了一种激光冲击工艺，介绍了一种用于金属零件表面改性的激光喷丸强化方法。该方法通过激光束与材料的相互作用可以实现极高应变率的塑性变形，从而显著提高金属表面的硬度，但是也有以下不足：激光喷丸由于极高的应变率会对航空钛合金材料产生极大的机械损伤，例如应力集中和微裂纹等，不利于航空钛合金材料的疲劳强度的进一步提高。

对于滚压而言，是利用滚刀在金属表面施加压力，从而在材料表面达到加工硬化的目的。例如专利号为CN101487079A的专利申请，提出了一种金属表面的加工工艺，该工艺采用滚压刀对金属表面进行滚压处理，达到增加金属表面硬度以及提高金属疲劳性能的目的。但是该方法还存在以下缺点：（1）滚压工艺对航空钛合金材料的强化效果较低，从而对其疲劳强度影响较小；（2）该工艺会在航空钛合金尖角以及边缘处产生极大的应力集中，不利于疲劳强度的进一步提高；（3）该工艺一般用于强化平面，不适宜复杂曲面的加工。

与本发明最接近的是专利号为CN101962710B以及CN101020946A的专利申请。专利号为CN101962710B的中国专利提出了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，该方法在使用连续激光器预热的基础上，利用脉冲激光器进行激光喷丸，从而实现对金属材料的表面强化。这种方法可以减轻激光喷丸对金属材料的机械损伤，一定程度上改善了硬脆材料的疲劳强度，但是也存在着缺点：（1）本方法仅仅考虑到温度对材料的软化效应，并没有考虑到动态应变时效的因素，因此不属于激光温喷丸的范围，也达不到激光温喷丸大幅提高材料疲劳强度的效果；（2）只能在一定程度上降低激光喷丸造成的材料损伤，没有达到修复的效果，因此疲劳强度提高不大，可靠性不高；（3）装置复杂，不易操作，成本较高。专利号为CN101020946A的专利申请提出了一种利用机械喷丸强化提高钛金属疲劳强度的方法，该方法在传统喷丸的基础上，再进行二次细化喷丸，在保持一定残余压应力的基础上，降低损伤程度，使材料的疲劳强度获得提高。这种方法可以在一定程度上提高钛金属材料的疲劳强度，但是也有不足：（1）该方法采用的传统的机械喷丸，在金属表面产生的残余压应力不大，且应变率较低，疲劳强度提高的幅度不大；（2）由于有质弹丸速度不均匀，喷丸区域残余压应力不均匀，容易造成应力集中，限制了疲劳强度的提高；（3）传统机械喷丸的工艺参数可控性较差，在受喷表面的覆盖率及其均匀性难以控制，导致被喷丸零件的力学性能波动较大；（4）传统机械喷丸产生的残余压力和微观组织结构在高温和交变载荷作用下并不稳定，易产生松弛释放现象，导致使用寿命增益有限。

激光温喷丸，又称为温度辅助的激光喷丸，是一种新型的表面强化处理技术，通过在一定的温度效应下进行激光冲击，可以实现更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了激光温喷丸能够达到比机械喷丸更加优良的表面强化效果。同时，激光温喷丸能够通过动态应变时效和动态析出产生比激光喷丸和机械喷丸更加稳定的残余压应力，这也说明激光温喷丸能在一定程度上降低喷丸对材料的机械损伤，从而显著提高材料的疲劳强度。但是激光温喷丸由于极高的应变率，依旧会在材料表面产生一定的微裂纹和应力集中等机械损伤，因此单纯的激光温喷丸依旧不能大幅度地可靠地提高航空钛合金材料的疲劳强度。因此，如何可靠的提高航空钛合金的疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性已经成为机械相关领域的焦点问题。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现利用温度辅助的基于动态应变时效的大、小光斑复合的激光喷丸工艺强化材料的方法及装置，本发明为首次提出该工艺方法及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钛合金表面处理技术存在的易产生应力集中和微裂纹影响工作性能的问题，发明一种利用动态应变时效起到更好的强化效果，并通过温度效应以及第二次喷丸的冲击效应降低以及修复喷丸对航空钛合金材料的机械损伤，同时引入较大的稳定的残余压应力，最后通过局部喷丸降低应力集中，大幅提高航空钛合金的疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置。

本发明的技术方案是之一：

一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法，其特征在于：首先对航空钛合金工件进行加热并使用激光器进行一次喷丸，以使材料内部发生动态应变时效来强化材料表面，并利用温度效应降低机械损伤，其次采用低于一次喷丸的能量和小于一次喷丸的光斑及工件温度进行二次激光喷丸，利用第二次喷丸的温度效应以及冲击效应修复材料表面损伤；最后利用XRD衍射检测装置对喷丸表面进行探测，对应力集中区域进行局部喷丸降低应力集中，达到大幅提高航空钛合金疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的目的。

所述的采用激光器进行一次喷丸时采用5~20 J能量及3~5 mm光斑，以25%~50%搭接率在200~300℃下对工件表面进行喷丸强化。

所述的采用激光器进行二次喷丸时采用1~2 J能量及0.5~1 mm光斑以50%~75%搭接率，在100~150℃下对工件表面进行二次喷丸。

所述的局部喷丸采用的激光器能量2~3 J，光斑直径0.5 mm，搭接率50%~75%，工件温度150℃。

本发明的具体方法步骤可详述为：

A）                   在将航空钛合金工件加热前，先涂覆黑漆，再安置在加热平台上，并加热平台与工件之间设有温度传感器，黑漆上方安置耐高温玻璃作为约束层；

B）                   开启计算机控制系统和加热平台，由计算机系统控制加热平台的温度保持在200~300℃；达到所述的温度后，开启激光器、步进电动机以及五轴工作台，计算机系统设置激光器能量为5~20 J，激光束光斑直径为3~5 mm，并控制五轴工作台以25%~50%搭接率开始一次激光喷丸；

C）                    光斑覆盖整个喷丸区域以后，计算机控制系统调整加热平台温度保持在100~150℃，再由计算机系统调节激光器能量为1~2 J,激光光斑直径为0.5~1 mm，并控制五轴工作台以50%~75%搭接率进行第二次激光喷丸；

D）                   使用XRD衍射探头检测工件表面的残余应力状态以及大小，计算机系统调节五轴工作台和激光器对应力集中的区域进行局部激光喷丸；局部激光喷丸参数为：能量2~3 J，光斑直径0.5 mm，搭接率50%~75%，工件温度150℃；

E）                    喷丸结束后，关闭激光器、加热平台、步进电动机以及五轴工作台，待工件空冷到室温后取下工件。

    本发明的技术方案是之二：

一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的装置，其特征在于它包括激光器1，反光镜2，光斑调节装置3， XRD衍射探头4，XRD分析仪5，耐高温玻璃6，温度传感器9，加热平台10，五轴工作台11，工作台脚架12，步进电动机13，导轨14，导轨数控系统15，加热平台控制系统16，五轴工作台数控系统17，集成控制器18，计算机控制系统19，工件8安装在加热平台10上，在工件8的待处理表面上预置有黑漆层7，黑漆层7的上方设置耐高温玻璃6作为约束层；位于耐高温玻璃6上方的光斑调节装置3通过夹具与导轨14相连，步进电动机13与夹具之间通过丝杠连接，光斑调节装置3可以随夹具在导轨14上移动；温度传感器9安装在加热平台10面向工件8的平面上；加热平台10安装在五轴工作台11上，五轴工作台11安装在工作台脚架12上；温度传感器9与加热平台控制系统16之间、步进电动机13与导轨数控系统15之间、五轴工作台11与五轴工作台数控系统17电气连接，导轨数控系统15、加热平台控制系统16和五轴工作台数控系统17均受控于集成控制器18，集成控制器18受控于计算机系统19；可移动的XRD衍射探头4与XRD分析仪5相连，XRD分析仪5通过数据导线与计算机系统19相连，XRD衍射探头4测得的应力数据传送到XRD分析仪5，XRD分析仪5分析应力数据并记录下应力集中点的精确位置，同时将坐标传送到计算机系统19，计算机系统19根据XRD分析仪5传送的坐标，调节五轴工作台11的位置，使应力集中区域对准激光光路，进行局部喷丸以降低应力集中。

本发明的有益效果：

本发明在已有表面强化工艺的基础上，提出了温度辅助的基于动态应变时效的大、小光斑复合的激光喷丸工艺方法。该工艺首先利用激光器采用5～20 J能量及3～5 mm光斑以25%～50%搭接率在200～300℃下对工件表面进行喷丸强化，然后利用1～2 J能量及0.5～1 mm光斑以50%～75%搭接率在100～150℃下对工件表面进行二次喷丸，最后对应力集中区域进行局部喷丸。该方法可以克服上述技术的缺点，大幅提高航空钛合金材料的疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性。

本发明通过第一次喷丸在材料内部发生动态应变时效来强化钛合金表面，并利用温度效应降低机械损伤，然后利用第二次喷丸的温度效应以及冲击效应修复钛合金表面损伤，最后通过局部喷丸降低应力集中，达到大幅提高航空钛合金疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的目的。

本发明能应用于较大尺寸工件以及复杂曲面工件的强化。

本发明装置结构简单，操作简便，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的喷丸装置的结构示意图。

图2为本发明的激光喷丸路径的示意图。

图3为本发明的标准拉伸试样图及喷丸区域图。

 图中：1、激光器；2、反光镜；3、光斑调节装置；4、XRD衍射探头；5、XRD分析仪；6、耐高温玻璃；7、黑漆；8、工件；9、温度传感器；10、加热平台；11、五轴工作台；12、工作台脚架；13、步进电动机；14、导轨；15、导轨数控系统；16、加热平台控制系统；17、五轴工作台数控系统；18、集成控制器；19、计算机控制系统。

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说明。

实施例一。

如图2-3所示。

一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法，它首先利用激光器采用5~20 J能量及3~5 mm光斑以25%~50%搭接率在200~300℃下对工件表面进行第一次喷丸强化，然后利用1~2 J能量及0.5~1 mm光斑以50%~75%搭接率在100~150℃下对工件表面进行二次喷丸，最后对应力集中区域进行局部喷丸,其参数为：能量为2~3J，光斑直径为0.5mm，搭接率为50%~75%，工件温度为150℃。通过第一次喷丸强化在材料内部发生动态应变时效来强化材料表面，并利用温度效应降低机械损伤，然后利用第二次喷丸的温度效应以及冲击效应修复材料表面损伤，最后通过局部喷丸降低应力集中，达到大幅提高航空钛合金疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的目的。喷丸路径如图2。

具体步骤详述如下：

A)  将涂覆黑漆7的工件8安置在加热平台10上，加热平台与工件之间设有温度传感器9，黑漆上方安置耐高温玻璃6作为约束层。

B)   开启计算机控制系统19和加热平台10，计算机控制系统19控制加热平台10的温度保持在200~300℃。

C)   达到上述温度后，开启激光器1、光斑调节装置步进电动机13以及五轴工作台11，计算机控制系统19设置激光器能量为5~20 J，激光束光斑直径为3~5 mm，并控制五轴工作台11以25%~50%搭接率开始激光喷丸。

D)  光斑覆盖整个喷丸区域以后，计算机控制系统19调节加热平台10温度保持在100~150℃，

E)   计算机控制系统19调节激光器1能量为1~2 J,激光光斑直径为0.5~1 mm，并控制五轴工作台11以50%~75%搭接率进行第二次激光喷丸。

F)    使用XRD衍射探头4检测工件8表面的残余应力状态以及大小，计算机系统19调节五轴工作台11和激光器1对应力集中的区域进行局部激光喷丸，局部激光喷丸的参数为：能量为2~3 J，光斑直径为0.5 mm，搭接率为50%~75%，工件温度为150℃。

G)  喷丸结束后，关闭激光器1、加热平台10、步进电动机13以及五轴工作台11，待工件8空冷到室温后取下。

    以钛合金Ti6Al4V为例。实验分为三组，每组包含4块标准拉伸试样，如图3所示。

第一组实验中，对4块标准拉伸试样进行激光喷丸处理，激光器3采用Nd:YAG固体激光器，参数如下：能量为10 J，光斑直径3 mm。

第二组实验中，对4块标准拉伸试样进行激光温喷丸处理，激光器3采用Nd:YAG固体激光器，参数如下：能量为10 J，光斑直径3 mm，试样温度260℃。

第三组实验中，对4块标准拉伸试样采用温度辅助基于动态应变时效的激光喷丸强化工艺处理，激光器3采用Nd:YAG固体激光器，参数如下：激光能量1~12 J，激光光斑直径0.5~5 mm。实施具体过程如下：

A)  将涂覆黑漆7的Ti6Al4V工件8安置在加热平台10上，加热平台与工件之间设有温度传感器9，黑漆上方安置耐高温玻璃6作为约束层。

B)   开启计算机控制系统19和加热平台10，计算机控制加热平台10的温度保持在260℃。

C)   达到上述温度后，开启激光器1、光斑调节装置步进电动机13以及五轴工作台11，计算机系统19设置激光器能量为10 J，激光束光斑直径为3 mm，并控制五轴工作台11以50%搭接率开始激光喷丸。

D)  光斑覆盖整个喷丸区域以后，计算机控制系统19调节加热平台10温度保持在120℃，

E)   计算机系统19调节激光器1能量为1.0J,激光光斑直径为0.5 mm，并控制五轴工作台11以50%搭接率进行第二次激光喷丸。

F)    使用XRD衍射探头4检测工件8表面的残余应力状态以及大小，计算机系统19调节五轴工作台11和激光器1对应力集中的区域进行局部激光喷丸。局部激光喷丸的参数为：能量为2J，光斑直径为0.5mm，搭接率为50%，工件温度为150℃。

G)  喷丸结束后，关闭激光器1、加热平台10、步进电动机13以及五轴工作台11，待工件8空冷到室温后取下。

实验完毕后，通过MTS809试验系统，测试所有试样的疲劳寿

命，测试条件为：最大载荷24.5 KN,正弦波加载方式，平均载荷13.475 KN，加载频率13 HZ。结果如表1：

注：循环载荷寿命的平均值可以表征疲劳强度的大小，平均值越大，疲劳强度越高；方差可以表征疲劳强度的可靠性，方差越小，疲劳强度的数据越集中，故可靠性越高。

由表1可知，经过温度辅助基于动态应变时效的激光喷丸强化工艺处理后的试样的疲劳强度以及疲劳强度的可靠性比激光喷丸以及激光温喷丸后的试样都有了大幅度的提高。采用相同的方法，将拉伸的温度设置为300℃，实际测得试样一与试样二的循环载荷寿命平均值较常温下分别下降了21%与17%，而试样三的循环载荷寿命平均值仅下降了8.3%，由此可以说明基于动态应变时效的激光喷丸强化工艺大幅提高了Ti6Al4V的高温力学性能及其稳定性。

实施例二。

如图1所示。

一种基于动态应变时效的激光喷丸强化航空钛合金的装置，包括激光器1，反光镜2，光斑调节装置3， XRD衍射探头4，XRD分析仪5，耐高温玻璃6，黑漆7，工件8，温度传感器9，加热平台10，五轴工作台11，工作台脚架12，步进电动机13，导轨14，导轨数控系统15，加热平台控制系统16，五轴工作台数控系统17，集成控制器18，计算机控制系统19。黑漆7预置在工件8的待处理表面上，黑漆上方设置耐高温玻璃6作为约束层；光斑调节装置3通过夹具与导轨14相连，步进电动机13与夹具之间通过丝杠连接，从而光斑调节装置3可以随夹具在导轨14上移动；温度传感器9安装在加热平台10面向工件的平面上；加热平台10与五轴工作台11以及五轴工作台11与工作台脚架12之间均采用螺栓固定；温度传感器9与加热平台控制系统16之间、步进电动机13与导轨数控系统15之间以及五轴工作台11与五轴工作台数控系统17之间采用导线连接起来，各数控系统（15,16,17）与集成控制器18之间以及集成控制器18与计算机系统19之间也用导线连接起来。可移动的XRD衍射探头4与XRD分析仪5相连，XRD分析仪5通过数据导线与计算机系统19相连，XRD衍射探头4测得的应力数据传送到XRD分析仪5，XRD分析仪5分析应力数据并记录下应力集中点的精确位置，同时将坐标传送到计算机系统19，计算机系统19根据XRD分析仪5传送的坐标，调节五轴工作台11的位置，使应力集中区域对准激光光路，进行局部喷丸以降低应力集中。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法，其特征在于：首先对航空钛合金工件进行加热并使用激光器进行一次喷丸，以使材料内部发生动态应变时效来强化材料表面，并利用温度效应降低机械损伤，其次采用低于一次喷丸的能量和小于一次喷丸的光斑及工件温度进行二次激光喷丸，利用第二次喷丸的温度效应以及冲击效应修复材料表面损伤；最后利用XRD衍射检测装置对喷丸表面进行探测，对应力集中区域进行局部喷丸降低应力集中，达到大幅提高航空钛合金疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的目的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的采用激光器进行一次喷丸时采用5~20 J能量及3~5 mm光斑，以25%~50%搭接率在200~300℃下对工件表面进行喷丸强化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的采用激光器进行二次喷丸时采用1~2 J能量及0.5~1 mm光斑以50%~75%搭接率，在100~150℃下对工件表面进行二次喷丸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的局部喷丸采用的激光器能量为2~3 J，光斑直径为0.5 mm，搭接率为50%~75%，工件温度为150℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：

首先，在将航空钛合金工件加热前，先涂覆黑漆，再安置在加热平台上，并加热平台与工件之间设有温度传感器，黑漆上方安置耐高温玻璃作为约束层；

其次，开启计算机控制系统和加热平台，由计算机系统控制加热平台的温度保持在200~300℃；达到所述的温度后，开启激光器、步进电动机以及五轴工作台，计算机系统设置激光器能量为5~20 J，激光束光斑直径为3~5 mm，并控制五轴工作台以25%~50%搭接率开始一次激光喷丸；

第三，光斑覆盖整个喷丸区域以后，计算机控制系统调整加热平台温度保持在100~150℃，再由计算机系统调节激光器能量为1~2 J,激光光斑直径为0.5~1 mm，并控制五轴工作台以50%~75%搭接率进行第二次激光喷丸；

第四，使用XRD衍射探头检测工件表面的残余应力状态以及大小，计算机系统调节五轴工作台和激光器对应力集中的区域进行局部激光喷丸；局部激光喷丸参数为：能量2~3 J，光斑直径为0.5 mm，搭接率为50%~75%，工件温度为150℃；

最后，喷丸结束后，关闭激光器、加热平台、步进电动机以及五轴工作台，待工件空冷到室温后取下工件。

6.一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的装置，其特征在于它包括激光器（1），反光镜（2），光斑调节装置（3）， XRD衍射探头（4），XRD分析仪（5），耐高温玻璃（6），温度传感器（9），加热平台（10），五轴工作台（11），工作台脚架（12），步进电动机（13），导轨（14），导轨数控系统（15），加热平台控制系统（16），五轴工作台数控系统（17），集成控制器（18），计算机控制系统（19），工件（8）安装在加热平台（10）上，在工件（8）的待处理表面上预置有黑漆层（7），黑漆层（7）的上方设置耐高温玻璃（6）作为约束层；位于耐高温玻璃（6）上方的光斑调节装置（3）通过夹具与导轨（14）相连，步进电动机（13）与夹具之间通过丝杠连接，光斑调节装置（3）可以随夹具在导轨（14）上移动；温度传感器（9）安装在加热平台（10）面向工件（8）的平面上；加热平台（10）安装在五轴工作台（11）上，五轴工作台（11）安装在工作台脚架（12）上；温度传感器（9）与加热平台控制系统（16）之间、步进电动机（13）与导轨数控系统（15）之间、五轴工作台（11）与五轴工作台数控系统（17）电气连接，导轨数控系统（15）、加热平台控制系统（16）和五轴工作台数控系统（17）均受控于集成控制器（18），集成控制器（18）受控于计算机系统（19）；可移动的XRD衍射探头（4）与XRD分析仪（5）相连，XRD分析仪（5）通过数据导线与计算机系统（19）相连，XRD衍射探头（4）测得的应力数据传送到XRD分析仪（5），XRD分析仪（5）分析应力数据并记录下应力集中点的精确位置，同时将坐标传送到计算机系统（19），计算机系统（19）根据XRD分析仪（5）传送的坐标，调节五轴工作台（11）的位置，使应力集中区域对准激光光路，进行局部喷丸以降低应力集中。

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