CN106167885A - 金属材料内部微观缺陷的修复方法 - Google Patents

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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation

Abstract

本发明公开了一种既能够修复金属材料内部微观缺陷，以提高金属材料的性能，又不会对金属材料造成热变形影响的金属材料内部微观缺陷的修复方法。该金属材料内部微观缺陷的修复方法，通过将待修复的金属材料置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中，并根据金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型选择适当的外场处理工艺进行处理。利用脉冲磁场和脉冲电场的诱导作用，从而实现了金属材料内部缺陷原位修复；在提升金属材料塑韧性的同时可增加材料的强度，大幅度改善材料耐磨性，抑制微裂纹萌生，延缓已萌生微裂纹的扩展，可明显提高材料的疲劳寿命，并且整个修复过程不会造成金属材料温度的显著上升和热变形。

Description

金属材料内部微观缺陷的修复方法
技术领域
本发明属于材料工程领域，具体涉及一种金属材料内部微观缺陷的修复方法。
背景技术
金属材料内部原子结构以晶体形式呈现周期性排列，其中不可避免的存在数量极大的内部缺陷，如原子空位、晶格位错、孪晶以及微裂纹等。缺陷的存在使得金属材料内部原子结构和能量势场的周期性被破坏，造成局部微区畸变，原子排列畸变区域较排列规整区域往往会具有更高的能量，影响了金属材料在制备、加工、服役等过程中的性能。其中，金属材料内部晶格位错缺陷是影响金属材料强度、塑韧性等力学性能的本质原因。金属材料内部缺陷使得金属材料的实际强度与理论强度之间存在3个数量级的差异；同时，晶格位错造成金属内部原子滑移所需的能量远远低于理论要求。所以金属材料内部微观缺陷是影响材料性能的重要因素，也是调控金属材料性能的关键途径。
金属制品的失效往往也与材料内部的缺陷密切相关，如位错堆积所形成的局部应力集中区域能够诱发裂纹萌生，导致失效；金属材料内部微观裂纹是诱发疲劳断裂的关键因素。因此，金属材料内部微观缺陷是金属材料制备件服役寿命的重要制约因素。
以前，控制金属材料内部缺陷的技术都广泛集中于原材料的冶金过程以及金属制件的热处理过程。其中，冶金过程的调控往往聚焦于金属的净化，即利用一定物理化学原理和相应的工艺措施，去除液态金属中的有害元素、夹杂物和气体，如脱氧、脱硫、脱碳精炼等。金属材料热处理是最常见的金属材料处理工艺，旨在通过将材料加热到不同温度，驱动原子扩散和相转变，影响材料内部组织形貌和分布，间接调控内部缺陷的状态。但是，无论是金属热处理工艺还是冶金过程的金属净化都无法从根本上修复材料晶体内部缺陷；其中，金属热处理会引入工件的变形、材料的氧化等不可控因素，限制了其使用的范围；金属材料冶金过程所采取的缺陷净化措施虽然也能够实现类似降低缺陷的效果，但是该技术不能修复液态金属凝固、晶体生长过程出现的缺陷，只对外来缺陷有一定的消除和净化作用；而且，在冶金净化工艺中往往会引入新的添加剂，造成额外的质量输入，对后续阶段材料的性能产生不良影响。
目前，如何利用磁场、电场、磁电复合场等外场技术调控金属材料在制备、加工、服役过程的性能，是材料工程领域重要的研究方向之一。外场技术已广泛应用于液态成型、粉末冶金烧结以及塑性成形等金属材料制造与再制造领域。
电场与磁场能够明显改变金属液态成型过程中凝固组织的形态，细化晶粒降低成型过程的热裂倾向；场活化烧结技术能够快速高效低能耗地生产出高致密度的金属材料制备件；电致塑性与磁致塑性被应用于金属材料塑性变形加工过程，极大地提高了金属材料的塑性变形能力。随着世界各国逐渐意识到人类生产活动所造成的环境破坏以及自然资源浪费等问题的严重性，发展可持续制造已逐渐成为工业领域的重点及焦点，其中，再制造是实现可持续制造的关键环节。外场技术是再制造领域的新兴技术之一，例如高能脉冲电流场等外界物理场可以实现对金属材料中各种形式裂纹的止裂作用与损伤愈合。
现有利用脉冲电流对裂纹止裂，主要是在金属材料内部微裂纹尖端形成局部高温，导致微区熔化从而使得裂纹尖端钝化，以达到阻碍裂纹扩展的效果，不能实现对微裂纹的萌生以及裂纹扩展的抑制延缓效果，同时还会带来热变形和类似于焊接所形成的热影响区。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种既能够修复金属材料内部微观缺陷，以提高金属材料的性能，又不会对金属材料造成热变形影响的金属材料内部微观缺陷的修复方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属材料内部微观缺陷的修复方法，包括下列步骤：
步骤一，判断待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型；
步骤二，将待修复的金属材料置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；
步骤三，根据待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型选择以下外场处理工艺之一进行修复：
a、若待修复的金属材料为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～30s的磁脉冲作用后，再施加5～15个电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
b、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以面缺陷构成的微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，同时施加磁脉冲和电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
c、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～35个电脉冲作用，然后施加5～45s的磁脉冲作用，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
其中，所述磁脉冲作用的磁场强度为0～3T，磁脉冲频率为1～10Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.1～1s；所述电脉冲作用的脉冲电流密度为10～103A/mm2，单个电脉冲作用的时间为0.01～200ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.1～1s。
进一步的是，所述外界物理场激发装置包括脉冲电源和电极、以及励磁电源、多匝励磁线圈和铁芯，所述电极与脉冲电源电连接，所述多匝励磁线圈与励磁电源电连接，所述铁芯套设于多匝励磁线圈中。
进一步的是，所述脉冲磁场由工频交流电压向高压电容器组充电储能后向多匝线圈释放最大为4×104A的磁化电流产生。
进一步的是，所述电脉冲作用包括矩形直流脉冲和交流尖形脉冲。
进一步的是，所述待修复的金属材料包括含有金属元素的复合材料。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明通过将待修复金属材料置于外场作用空间中，利用脉冲磁场和脉冲电场的诱导作用，从而实现了金属材料内部缺陷原位修复，不需要额外介质与能量的输入。
(2)、本发明利用物理场能在金属材料内部缺陷处产生能量聚焦效应，可实现快速进行缺陷修复，提升金属材料的塑、韧性的同时可增加材料的强度和耐磨性。
(3)、经本发明修复，能够有效抑制金属材料内部微裂纹的萌生，并延缓已萌生微裂纹的扩展过程，可大幅度提高金属材料的疲劳寿命。
(4)、本发明中单个电脉冲作用时间为0.01～200ms，对金属材料的作用时间极短，因此不会对金属材料整体产生明显的热效应，而仅仅实现缺陷区域的局部瞬时高温，不会产生任何热变形，保证了金属制件的外形尺寸精度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
金属材料内部微观缺陷的修复方法，包括下列步骤：
步骤一，判断待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型；
步骤二，将待修复的金属材料置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；所述外界物理场激发装置包括脉冲电源和电极、以及励磁电源、多匝励磁线圈和铁芯，所述电极与脉冲电源电连接，所述多匝励磁线圈与励磁电源电连接，所述铁芯套设于多匝励磁线圈中；
步骤三，根据待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型选择以下外场处理工艺之一进行修复：
a、若待修复的金属材料为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～30s的磁脉冲作用后，再施加5～15个电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
b、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以面缺陷构成的微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，同时施加磁脉冲和电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
c、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～35个电脉冲作用，然后施加5～45s的磁脉冲作用，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
其中，所述磁脉冲作用的磁场强度为0～3T，磁脉冲频率为1～10Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.1～1s；所述电脉冲作用的脉冲电流密度为10～103A/mm2，单个电脉冲作用的时间为0.01～200ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.1～1s。
通过该方法可以对整体金属材料制备件或是大型金属零件的局部区域进行修复处理。该方法不仅可以对由纯金属元素组成的材料进行修复，而且还可以对含有金属元素的复合材料进行修复，例如：金属陶瓷、硬质合金等等。所述金属材料不仅限于铁磁性材料，也同样包括非铁磁性材料，例如钛合金等。
本发明通过将待修复的金属材料置于外界物理场激发装置的外场作用空间中，利用脉冲磁场和脉冲电场的诱导作用，从而实现了金属材料内部缺陷原位修复，不需要额外介质与能量的输入。本发明中所采用10～103A/mm2的脉冲电流以及0～3T磁场强度本质上是一种高密度脉冲能，当该脉冲能作用于金属材料内部原子时，将优先激发具有更高能量的缺陷区域原子，使其获得更大的动能，从而克服能垒限制离开固定位置。大量被外场诱导激发的缺陷区域原子会在外场作用间隙时向能量更低的区域周期性重排，宏观表现为金属材料内部原子结构缺陷数目大幅度降低，同时未被修复的缺陷呈现出更加稳定的状态和分布，实现了对金属材料内部缺陷在外场诱导下的原位自修复。
本发明利用物理场能在金属材料内部缺陷处产生能量聚焦效应，可实现快速进行缺陷修复，提升金属材料的塑、韧性的同时可增加材料的强度和耐磨性。金属材料内部缺陷区域具有更高的电阻率，脉冲电流作用下将会在缺陷区域形成电热聚焦，形成较原子周期排列区域显著的能量起伏。另一方面，强电流在金属材料内部产生剧烈的电迁移，频繁定向地撞击坚固的位错缺陷，使得位错滑移更加容易发生。同时，磁场引入磁致伸缩所诱发的磁致振动与微区电热聚焦产生的局部应力以及电迁移造成的撞击形成合力，聚焦于金属材料内部缺陷，在微区形成高能量密度场作用与驱动力作用，从而实现缺陷修复与调控。本发明由于外场作用对结构缺陷的选择性作用，具备更强的针对性和高能特征，表现出更高效和更快速的缺陷修复，从而可有效提高金属材料的性能。
经本发明修复，能够有效抑制金属材料内部微裂纹的萌生，并延缓已萌生微裂纹的扩展过程，可大幅度提高金属材料的疲劳寿命。金属材料内部微裂纹的萌生取决于微区的应力集中程度，应力集中往往是内部缺陷如位错晶界等的堆积、缺陷运动的阻塞所造成。本发明通过对金属材料内部缺陷的特异性能量聚焦作用，实现缺陷修复与调控，能够大幅度降低应力集中程度，从而实现对微裂纹萌生的抑制。另一方面，缺陷的修复和分布状态的改善能够强化材料基体的强度，增强晶体内原子间结合能，使得已存在的微裂纹扩展需要更大的驱动力，从而钝化微裂纹尖端，延缓裂纹扩展与断裂失效，提高服役寿命。
本发明中单个电脉冲作用时间为0.01～200ms，对金属材料的作用时间极短，因此不会对金属材料整体产生明显的热效应，而仅仅实现缺陷区域的局部瞬时高温，其产生的热效应远远不足以引起金属材料整体的形变，保证了金属制件的外形尺寸精度。此外，本发明所采用的磁场对金属材料产生的热效应有限，整体温度能够很好的控制在室温到200℃之间。
具体的，所述脉冲磁场由工频交流电压向高压电容器组充电储能后向多匝线圈释放最大为4×104A的磁化电流产生。所述电脉冲作用包括矩形直流脉冲和交流尖形脉冲。
实施例1
取工厂生产的YG6牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。将该硬质合金棒材置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中，具体为，将硬质合金棒材的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择b项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，打开励磁电源与脉冲电源，同时施加磁脉冲和电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.5T，磁脉冲频率为1Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇1s；电脉冲作用的脉冲电流密度为10A/mm2，单个电脉冲作用时间为20ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.5s；整个处理时间30s，即可完成对YG6硬质合金棒材的内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA92.5，较修复前的硬度HRA89提高了3.93％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2130MPa，较修复前的抗弯强度1970MPa提高了8.12％，明显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。
实施例2
取工厂生产的YG8牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。将该硬质合金棒材置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中，具体为，将硬质合金棒材的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择b项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，打开励磁电源与脉冲电源，同时施加磁脉冲和电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.5T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.5s；电脉冲作用的脉冲电流密度为15A/mm2，单个电脉冲作用时间为10ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间30s，即可完成对YG8硬质合金棒材的内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA92.5，较修复前的硬度HRA89提高了3.93％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为1730MPa，较修复前的抗弯强度1500MPa提高了15.33％，明显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。
实施例3
取工厂生产的YG15牌号硬质合金，烧结制备为直径为10mm的硬质合金棒材，该硬质合金棒材为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。将该硬质合金棒材置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中，具体为，将硬质合金棒材的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择b项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，打开励磁电源与脉冲电源，同时施加磁脉冲和电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.5T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.5s；电脉冲作用的脉冲电流密度为20A/mm2，单个电脉冲作用时间为5ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间30s，即可完成对YG15硬质合金棒材的内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明，修复后硬质合金棒材的硬度为HRA89.3，较修复前的硬度HRA87提高了2.64％；修复后硬质合金棒材的抗弯强度为2360MPa，较修复前的抗弯强度2100MPa提高了12.381％，明显改善了该型号硬质合金棒材的力学强度性能。
实施例4
将机械加工行业用YG12牌号的尺寸为Φ6mm的硬质合金铣刀35支，该硬质合金铣刀为铁磁性材料且在制备过程中其内部微观线缺陷聚集形成微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该硬质合金铣刀的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择c项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，先启动脉冲电流源，施加5个电脉冲作用，而后关闭脉冲电流源开启励磁电源，施加30s的磁脉冲作用。磁脉冲作用的磁场强度为2.5T，磁脉冲频率为5Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇1s；电脉冲作用的脉冲电流密度为70A/mm2，单个电脉冲作用时间为5ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间为35s，即可完成对该批次硬质合金铣刀内部微观缺陷一定程度的修复。为检验效果，将同一批次经过修复和未修复的铣刀在相同的切削参数下加工淬回火热处理40Cr调质钢端面，结果表明，未修复的铣刀平均每支加工420件，经过修复的铣刀平均每支加工910件，寿命增加了1.16倍。
实施例5
将机械加工行业用YG6牌号的尺寸为Φ6mm的硬质合金铣刀35支，该硬质合金铣刀为铁磁性材料且在制备过程中材料内部微观线缺陷聚集形成微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该硬质合金铣刀的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择c项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，先启动脉冲电流源，施加15个电脉冲作用，而后关闭脉冲电流源开启励磁电源，施加30s的磁脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.0T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇1s；电脉冲作用的脉冲电流密度为100A/mm2，单个电脉冲作用时间为0.05ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间为45s，即可完成对该批次硬质合金铣刀内部微观缺陷一定程度的修复。为检验效果，将同一批次经过修复和未经修复的铣刀在相同的切削参数下加工淬回火热处理40Cr调质钢端面，结果表明，未经修复的铣刀平均每支加工340件，经过修复的铣刀平均每支加工600件，寿命增加0.76倍。
实施例6
取工厂生产的牌号为YG6的硬质合金板材，利用线切割制成150×30×5mm的光洁表面板材共15块，该硬质合金板块为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以层错，亚晶界、物相界面等面缺陷构成微裂纹萌生核。将该硬质合金板块置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中，具体为，将硬质合金板块的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择b项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，打开励磁电源与脉冲电源，同时施加磁脉冲和电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为3T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇1s；电脉冲作用的脉冲电流密度为15A/mm2，单个电脉冲作用时间为10ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间为45s，即完成对该批次硬质合金板块内部微观缺陷一定程度的修复。通过sigma-B型涡流电导率仪对修复前后的电导率进行检测，修复前平均电导率为1.62MS/m，经过修复后的平均电导率为1.73MS/m，经过修复后硬质合金板的电导率提升了6.79％，表明材料内部微观缺陷被一定程度的修复。
实施例7
取市场上广泛销售的牌号为YH6F，规格为Φ3.25×38.7mm的微细硬质合金棒材。该微细硬质合金棒材为铁磁性材料且在制备过程中材料内部微观线缺陷聚集形成微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该微细硬质合金棒材的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择c项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，不施加电脉冲作用(即施加0个电脉冲作用)，开启励磁电源，施加45s的磁脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.5T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.5s，即完成对该批次该微细硬质合金棒材内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明修复后该微细硬质合金棒的硬度为HV2144.9，较修复前硬度为HV2123.1提高了1.03％；修复后该微细硬质合金棒的断裂韧性KIC8.1112，较修复前的断裂韧性为7.9033提高了2.63％；表明修复后既提高了该微细硬质合金棒材的强度又提高了其塑韧性。
实施例8
取市场上广泛生产销售的牌号为TC4的钛合金板材，利用线切割制成150×30×5mm的光洁表面板材共15块。该钛合金板块为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以位错等线缺陷塞积形成局部微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该钛合金板块的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择a项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，先启动励磁电源，施加30s的磁脉冲作用，而后关闭励磁电源启动脉冲电流源，施加15个电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为1.5T，磁脉冲频率为10Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.1s；脉冲电流密度为103A/mm2，单个电脉冲作用的时间为0.01ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇1s；整个处理时间45s，即可完成对该批次钛合金板块内部微观缺陷一定程度的修复。通过sigmaB型涡流电导率仪对修复前后钛合金板块的电导率进行检测，修复前的平均电导率为0.59/m，经过修复后的平均电导率为1.12MS/m，经过修复后电导率提升了89.83％，表明材料内部微观缺陷被一定程度的修复。
实施例9
取广泛应用于工业制造领域的TC4钛合金材料，线切割制成20份尺寸为55×10×10mm的块体。该钛合金板块为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以位错等线缺陷塞积形成局部微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该钛合金板块的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择a项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，先启动励磁电源，施加30s的磁脉冲作用，而后关闭励磁电源启动脉冲电流源，施加15个电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为2.0T，磁脉冲频率为5Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.5s；脉冲电流密度为500A/mm2，单个电脉冲作用时间为0.02ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.2s；整个处理时间为45s，即完成对该批次TC4钛合金板块内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明，修复后的TC4钛合金板块平均冲击韧性为78.6J/cm2，较修复前的平均冲击韧性69.4J/cm2提高了13.256％。
实施例10
取广泛应用于工业制造领域的TC4钛合金材料，线切割制成20份尺寸为140×30×15mm的块体材料并按照国家标准GB/T 4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》中的规定制成测试断裂韧性的标准试样。该钛合金板块为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以位错等线缺陷塞积形成局部微裂纹萌生核。将其安装在夹持平台上，并置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；具体为，将该钛合金板块的两端与脉冲电源的电极相连，并放置于多匝励磁线圈和铁芯形成的磁场中；选择a项外场处理工艺进行内部微观缺陷修复，先启动励磁电源，施加25s的磁脉冲作用，而后关闭励磁电源启动脉冲电流源，施加20个电脉冲作用；磁脉冲作用的磁场强度为0.5T，磁脉冲频率为2Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇1s；电脉冲作用的脉冲电流密度为700A/mm2，单个电脉冲作用时间为0.01ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.1s；整个处理时间35s，即可完成对该批次TC4钛合金材料内部微观缺陷一定程度的修复。结果表明，修复后的TC4钛合金板块的平均裂纹扩展速率为0.0683mm/KC，修复前的试样平均裂纹扩展速率为0.1025mm/KC。表明经过修复后的TC4钛合金能够有效延缓微裂纹的扩展。

Claims (5)

1.金属材料内部微观缺陷的修复方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，判断待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型；
步骤二，将待修复的金属材料置于能够产生脉冲磁场和脉冲电场的外界物理场激发装置中；
步骤三，根据待修复的金属材料的磁性能与基体内部微观缺陷的组态类型选择以下外场处理工艺之一进行修复：
a、若待修复的金属材料为非铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～30s的磁脉冲作用后，再施加5～15个电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
b、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以面缺陷构成的微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，同时施加磁脉冲和电脉冲作用，整个处理时间为5～45s，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
c、若待修复的金属材料为铁磁性材料且基体内部微观缺陷组态中主要以线缺陷塞积形成的局部微裂纹萌生核，则启动外界物理场激发装置，先施加0～35个电脉冲作用，然后施加5～45s的磁脉冲作用，即可完成对金属材料内部微观缺陷的修复；
其中，所述磁脉冲作用的磁场强度为0～3T，磁脉冲频率为1～10Hz，每施加完一个磁脉冲作用后间歇0.1～1s；所述电脉冲作用的脉冲电流密度为10～103A/mm2，单个电脉冲作用的时间为0.01～200ms，每施加完一个电脉冲作用后间歇0.1～1s。
2.如权利要求1所述的金属材料内部微观缺陷的修复方法，其特征在于：所述外界物理场激发装置包括脉冲电源和电极、以及励磁电源、多匝励磁线圈和铁芯，所述电极与脉冲电源电连接，所述多匝励磁线圈与励磁电源电连接，所述铁芯套设于多匝励磁线圈中。
3.如权利要求2所述的金属材料内部微观缺陷的修复方法，其特征在于：所述脉冲磁场由工频交流电压向高压电容器组充电储能后向多匝线圈释放最大为4×104A的磁化电流产生。
4.如权利要求2所述的金属材料内部微观缺陷的修复方法，其特征在于：所述电脉冲作用包括矩形直流脉冲和交流尖形脉冲。
5.如权利要求1、2、3或4所述的金属材料内部微观缺陷的修复方法，其特征在于：所述待修复的金属材料包括含有金属元素的复合材料。
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