CN106475914B - 一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法，属于金属表面抛光技术领域，其特征是先将氨基模塑料进行破碎，后将破碎的氨基模塑料颗粒进行粉碎得到4~8面体的棱角型小颗粒并进行颗粒分级筛选，将筛选所得不同粒度级别的颗粒均匀混合后制成抛光磨料，将此抛光磨料放入到喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对钛合金试样表面进行喷射的一种表面抛光处理工艺方法。其中，抛光磨料是由不同粒度级别的氨基模塑料颗粒混合而成。通过此种磨料气射流抛光方法对钛合金TC4表面进行抛光加工后，钛合金表面光滑平整，未发现明显表面损伤，抛光效果良好。且使用后的氨基模塑料磨料可回收利用。

Description

一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法
技术领域
本发明涉及一种材料的表面抛光方法，尤其是一种钛合金的表面抛光方法，具体地说是一种钛合金的表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法。
背景技术
钛及钛合金具有密度小（4.51g/cm3）、强度高（Rm可达到1100MPa以上）、比强度大以及优异的高低温性能和耐腐蚀性能而被广泛应用于航空、航天、化工、生物医学等领域。在所有的钛合金中，TC4（Ti-6Al-4V）钛合金用途最为广泛，超过了钛合金总量的50%。在航空领域内使用，钛合金被广泛应用于机身、机翼、发动机附近和起落架等对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件中。
但钛合金自身热导率低、高温强度高、化学活性强，切削加工时表面温度较高，易导致表面烧伤和氧化。同时，由于钛合金表面硬度低、易发生粘着磨损，从而将导致刀具磨损加剧而使刀具切削性能下降，这都将对钛合金结构件加工表面质量产生影响。
抛光作为最后一道工序，不仅能够去除切削加工痕迹，保持构件精度，提高表面粗糙度使其达到工艺设计要求，还能对加工表面变质层内的加工硬化、残余应力、金相组织变化以及塑性变形等有着直接的影响，改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。国内外对抛光工艺对提高航空钛合金结构件表面精度和性能的关注度越来越高，也同时出现了不同的表面抛光方法来提高钛合金结构件表面精度和性能。主要的方法有机械抛光加工（磨削、研磨、抛光和超精密加工）、现代抛光加工（离子束抛光、激光束抛光、化学抛光、电化学抛光、磁粒光整加工、超声波研磨、抛光等）和复合非传统光整加工（化学机械抛光、电化学超声波研磨、电化学机械光整加工及其他复合光整加工）等。
其中，机械抛光是利用物理手段而使表面平滑或光亮的抛光方法，易导致材料产生塑性变形层及组织变化层，并在工件表面留下研磨材料或油脂等异物；电化学抛光/化学抛光虽可对形状复杂及各种尺寸的工件进行抛光，但抛光过程中会析出有害气体，从而对环境和人体健康产生影响；超声抛光虽可使磨粒在超声振动下对工件加工区域材料产生机械撞击和研磨以及超声波空化作用而使加工区域材料粉碎产生脱落，但其加工效率和精度不足。为了解决上述抛光方法存在的问题，人们开始研究并开发许多新型抛光加工技术，磨料气射流抛光就是其中之一。
磨料气射流抛光（Abrasive Air Jet finishing-Machining，AAJM）是利用磨料与空气或其他气体混合而成的高速喷射流，经特殊设计的喷嘴高速冲击射向工件，通过对表面材料的去除而达到提高材料表面精度和性能的新型抛光方法。与传统的抛光方法相比，磨料气射流加工具有良好的适用性和通用性，且其结构简单、成本低，加工后工件表面粗糙度均匀等优点。目前磨料气射流加工方法所使用的抛光磨料大多为氧化铝、表面涂覆碳化硅和磁性材料的热塑性高分子聚合物、碳化硅颗粒等。但由于上述磨粒硬度均大于钛合金基体硬度（370HV），易导致钛合金表面产生损伤。而采用多面体棱角结构的氨基模塑料磨料对钛合金表面进行气射流抛光，由于其硬度（400~450HB）与钛合金基体硬度（370HV）相当，可在不产生表面损伤的条件下对钛合金表面进行抛光加工，且不会给钛合金基体组织及主要性能造成负面影响。同时，AAJM方法对工件结构和尺寸无要求，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、无毒、环保、可控性强的工艺过程。但目前采用氨基模塑料磨料对钛合金表面进行气射流抛光的方法国内外少有提及。
发明内容
本发明的目的是针对现有的气流抛光用磨料硬度远大于被抛光的钛合金而易造成表面损伤的问题，发明一种使用氨基模塑料磨料的钛合金表面磨料气射流抛光方法，它解决了损伤容限型钛合金TC4表面抛光的难题，能大幅度提高抛光表面质量，减少表面缺陷和损伤。
本发明的技术方案是：
一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法，其特征是采用氨基模塑料抛光磨料作为抛光介质，将氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用直径为Ø4.0~8.0mm的喷嘴，控制喷射压力为0.1~0.6MPa，抛光喷射角为70º~90º，抛光喷射距离为50~350mm，对钛合金试样表面进行抛光1~5分钟。
所述的氨基模塑料抛光磨料由粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的四种规格的氨基模塑料颗粒混合而成，四种氨基模塑料颗粒的质量百分比分别为16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目粒径的质量百分比为余量。
所述的氨基模塑料颗粒由氨基模塑料原料放入到塑料破碎机内进行破碎，再将破碎的颗粒放入到粉碎机内粉碎后放入到振动筛内进行分级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后将筛选所得颗粒中粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
所述的氨基模塑料颗粒由氨基模塑料块状原料或大粒径颗粒状原料（粒径小于10目）放入到塑料破碎机内进行破碎至颗粒状，再放入到振动筛内进行分级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后将筛选所得颗粒中粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
所述的氨基模塑料原料为密度1.4~1.6g/cm3，硬度400~450HB，厚度3-10mm的板料。
所述的氨基模塑料原料破碎是在刀片式塑料破碎机内进行，破碎机定刀片2~4把，动刀片3~6把，刀片之间调整间隙为2~6mm，筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。
所述的氨基模塑料原料粉碎是在涡轮式粉碎机内进行，粉碎机转子直径为350~750mm，筛网孔径为Ø1.5~2.5mm。
所述的氨基模塑料抛光磨料为4~8面体结构的棱角型磨料。
所述的钛合金试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为100~200mm。
所述的钛合金为TC系列中的损伤容限型钛合金TC4或其它TC系列的钛合金。
具体而言，本发明的钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法它包括氨基模塑料磨料的制备及表面抛光处理；
氨基模塑料磨料的制备是指：
先将氨基模塑料放入到塑料破碎机内进行破碎，再将破碎的颗粒放入到粉碎机内粉碎后放入到振动筛内进行分级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后将筛选所得颗粒中粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料；
表面抛光处理是指：
将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用直径为Ø4.0~8.0mm的喷嘴在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对钛合金试样表面进行抛光1~5分钟。
所述的氨基模塑料为密度为1.4~1.6g/cm3，硬度为400~450HB，厚度为3-10mm的板料。
所述的氨基模塑料破碎是在刀片式塑料破碎机内进行，破碎机定刀片2~4把，动刀片3~6把，刀片之间调整间隙为2~6mm，筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。
所述的氨基模塑料颗粒粉碎是在涡轮式粉碎机内进行，粉碎机转子直径为350~750mm，筛网孔径为Ø1.5~2.5mm。
所述的氨基模塑料抛光磨料为4~8面体的棱角型磨料。
所述的抛光喷射压力为0.1~0.6MPa，抛光喷射角为70º~90º，抛光喷射距离为50~350mm。
所述的钛合金试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为100~200mm。
所述的钛合金试样经抛光后其表面粗糙度Ra值可达到0.8~2.4µm。
所述的钛合金为TC系列中的损伤容限型钛合金TC4，也可适用于其它TC系列的钛合金表面抛光。
本发明的基理是：
利用氨基模塑料磨料与空气混合产成的高速喷射流，经喷嘴高速射向钛合金工件表面，在不产生表面损伤的条件下对钛合金工件表面材料进行去除，达到抛光的目的，从而提高钛合金构件表面精度，改善钛合金构件表面性能。
本发明的有益效果：
1、本发明可在钛合金基体表面不产生损伤的条件下快速去除表面氧化层和附着物，是一个工艺简单，经济高效、可控性强的钛合金表面抛光工艺。
2、本发明可提高钛合金结构件表面精度，改善钛合金结构件表面耐腐蚀性、耐磨性等其它特殊性能。
3、本发明采用了氨基模塑料颗粒作为抛光磨料，在使用过程中磨料不产生毒性，环保，有较强的抗磨擦性能和抗静电性能。
4、采用本发明方法对钛合金表面进行抛光加工，可使钛合金工件表面粗糙度达到Ra1.17~2.36µm。
5、本发明所述的抛光方法不仅适用于钛合金TC4，也可用于其它损伤容限型钛合金。
6、经本发明方法抛光处理后的钛合金试样的表面粗糙度Ra值可达到0.8~2.4µm。
附图说明
图1为本发明实例1经粉碎后的30~40目氨基模塑料磨料微观形貌图。
图2为本发明实例2经抛光后的钛合金表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R a 值。
图3为本发明实例2经抛光后的钛合金表面微观形貌图。
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。
一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法，所使用的部分设备有刀片式塑料破碎机、涡轮式粉碎机、振动筛、球磨机、喷砂机，这些设备均为市场所售的常规产品。钛合金材料为损伤容限型钛合金TC4，其主要化学成分按质量百分比记为：6.05%Al，3.89%V，0.203%Fe，0.12%O，0.01%C，其余为Ti。抛光磨粒为氨基模塑料颗粒，其主要化学成分为C和O。具体步骤如下：
1、磨料破碎
将密度为1.4~1.6g/cm3，硬度为400~450HB，厚度为3~10mm氨基模塑料原料（可为块状，也可为粒径小于10目的颗粒状原料）放入到刀片式塑料破碎机内进行破碎，破碎机定刀片2~4把，动刀片3~6把，控制刀片之间调整间隙为2~6mm，筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。
2、磨料粉碎与筛选
采用转子直径为350~750mm，筛网孔径为Ø1.5~2.5mm的涡轮式粉碎机将由破碎机破碎所得氨基模塑料颗粒粉碎至4~8面体的棱角型小颗粒，后放入到振动筛内进行分级筛选，筛选后的粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。
具体实施时，还可根据原料及设备情况将破碎与粉碎、筛选在同一台设备中完成。
3、磨料制备
将筛选所得粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目（如图1），40~50目的颗粒按比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。具体比例为：16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目粒径的质量百分比为余量。
4、表面抛光处理
将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为100~200mm。采用直径为Ø4.0~8.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.1~0.6MPa，抛光喷射角为70º~90º，抛光喷射距离为50~350mm的条件下对钛合金试样表面进行抛光1~5分钟。
实例1。
步骤1、磨料破碎
将密度为1.4g/cm3，硬度为450HB，厚度为5mm氨基模塑料块料（厚度为3-10毫米，也可采用粒径大于3毫米的颗粒状原料）放入到刀片式塑料破碎机内进行破碎，破碎机定刀片4把，动刀片6把，控制刀片之间调整间隙为4mm，筛网孔径为Ø6.0mm。
步骤2、磨料粉碎与筛选
采用转子直径为500mm，筛网孔径为Ø1.5mm的涡轮式粉碎机将由破碎机破碎所得氨基模塑料颗粒进行粉碎，后放入到振动筛内进行分级筛选，筛选后的粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。
具体实施时，根据原料情况，步骤1和2可合并，下同。
步骤3、磨料制备
将筛选所得16~20目，20~30目，30~40目（如图1），40~50目的氨基模塑料颗粒按质量百分比为10%，40%，30%和20%的比例放入到球磨机内搅拌15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
步骤4、表面抛光处理
将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为150mm。采用直径为Ø6.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.24MPa，抛光喷射角为80º，抛光距离为100mm的条件下对钛合金试样表面进行抛光1分钟。
取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测钛合金抛光表面层显微硬度为375HV0.01~390HV0.01，与基体钛合金表面硬度366HV0.01~380HV0.01相比，钛合金抛光表面硬度未发生明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对钛合金抛光表面粗糙度进行检测得出钛合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =1.68μm。经光学显微镜（OM）检测，钛合金抛光表面光滑平整，未发现明显表面损伤，如图2所示。
实例2。
步骤1、磨料破碎
将密度为1.5g/cm3，硬度为420HB，厚度为3mm氨基模塑料放入到刀片式塑料破碎机内进行破碎，破碎机定刀片2把，动刀片3把，控制刀片之间调整间隙为2mm，筛网孔径为Ø10mm。
步骤2、磨料粉碎与筛选
采用转子直径为350mm，筛网孔径为Ø2.0mm的涡轮式粉碎机将由破碎机破碎所得氨基模塑料颗粒进行粉碎，后放入到振动筛内进行分级筛选，筛选后的粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。
步骤3、磨料制备
将筛选所得20~30目，30~40目，40~50目的氨基模塑料颗粒按质量百分比为40%，40%和20%的比例放入到球磨机内搅拌10分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
步骤4、表面抛光处理
将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为200mm。采用直径为Ø4.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.6MPa，抛光喷射角为70º，抛光距离为50mm的条件下对钛合金试样表面进行抛光5分钟。
取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测钛合金抛光表面层显微硬度为370HV0.01~380HV0.01，与基体钛合金表面硬度366HV0.01~380HV0.01相比，钛合金抛光表面硬度无明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对钛合金抛光表面粗糙度进行检测得出钛合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =1.17μm。经光学显微镜（OM）检测，钛合金抛光表面光滑平整，未发现明显的裂纹和断裂面，抛光效果良好，如图3。
实例3。
步骤1、磨料破碎
将密度为1.6g/cm3，硬度为400HB，厚度为10mm氨基模塑料放入到刀片式塑料破碎机内进行破碎，破碎机定刀片3把，动刀片5把，控制刀片之间调整间隙为6mm，筛网孔径为Ø8.0mm。
步骤2、磨料粉碎与筛选
采用转子直径为750mm，筛网孔径为Ø2.5mm的涡轮式粉碎机将由破碎机破碎所得氨基模塑料颗粒进行粉碎，后放入到振动筛内进行分级筛选，筛选后的粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目。
步骤3、磨料制备
将筛选所得16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的氨基模塑料颗粒按质量百分比为20%，40%，30%和10%的比例放入到球磨机内搅拌20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
步骤4、表面抛光处理
将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为100mm。采用直径为Ø8.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.1MPa，抛光喷射角为90º，抛光距离为350mm的条件下对钛合金试样表面进行抛光3分钟。
取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测钛合金抛光表面层显微硬度为375HV0.01~395HV0.01，与基体钛合金表面硬度366HV0.01~380HV0.01相比，钛合金抛光表面硬度未发生明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对钛合金抛光表面粗糙度进行检测得出钛合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =2.36μm。经光学显微镜（OM）检测，钛合金抛光表面较平整，未发现明显的裂纹和断裂面，局部区域产生了微量的冲蚀磨损，且在误差范围之内。形貌图与图3类似。
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 (10)

1.一种钛合金表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法，其特征是采用氨基模塑料抛光磨料作为抛光介质，将氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，将钛合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用直径为Ø4.0~8.0mm的喷嘴，控制喷射压力为0.1~0.6MPa，抛光喷射角为70º~90º，抛光喷射距离为50~350mm，对钛合金试样表面进行抛光1~5分钟；所述的氨基模塑料抛光磨料由粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的四种规格的氨基模塑料颗粒混合而成，四种氨基模塑料颗粒的质量百分比分别为16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目颗粒的质量百分比为余量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料颗粒由氨基模塑料原料放入到塑料破碎机内进行破碎，再将破碎的颗粒放入到粉碎机内粉碎后放入到振动筛内进行分级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后将筛选所得颗粒中粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料原料为密度1.4~1.6g/cm3，硬度400~450HB，厚度3-10mm的板料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料颗粒由氨基模塑料块状原料或粒径小于10目的大粒径颗粒状原料放入到塑料破碎机内进行破碎至颗粒状，再放入到粉碎机粉碎后进行分级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~50目和>50目；后将筛选所得颗粒中粒度级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料块状原料或粒径小于10目的大粒径颗粒状原料为密度1.4~1.6g/cm3，硬度400~450HB，厚度3-10mm的板料。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料原料破碎是在刀片式塑料破碎机内进行，破碎机定刀片2~4把，动刀片3~6把，刀片之间调整间隙为2~6mm，筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料原料粉碎是在涡轮式粉碎机内进行，粉碎机转子直径为350~750mm，筛网孔径为Ø1.5~2.5mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料抛光磨料为4~8面体结构的棱角型磨料。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的钛合金试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为100~200mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的钛合金为TC系列中的损伤容限型钛合金TC4或其它TC系列的钛合金。
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