CN107858617A - 慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性和制备耐磨损钛表面的方法 - Google Patents

慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性和制备耐磨损钛表面的方法 Download PDF

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黄伟九
刘成龙
蒋璐瑶
王玥霁
胥桥梁
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，包括如下步骤：在氩气保护条件下，将待处理的钛板材固定在搅拌摩擦加工设备上进行表面处理，处理工艺条件为：搅拌头转速100～200rpm，搅拌头前进速度为10～50mm/min，压下量为0.1～0.5mm；还公开了一种转速搅拌摩擦加工制备耐磨损钛表面的方法，包括如下步骤：采用上述慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法进行搅拌摩擦加工，然后进行表面切削处理，切削厚度为0.8～1.5mm。本发明使用慢转速搅拌摩擦方式，调控钛合金表面织构，得到近基面织构，进一步提高钛板材耐磨性能。

Description

慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性和制备耐磨损钛表面 的方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦加工技术领域，具体涉及一种慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性和制备耐磨损钛表面的方法。
背景技术
钛合金是航空航天，海洋装备领域的重要材料。常规钛及钛合金因具有低塑性剪切抗力、低加工硬化率以及抗划擦性能差等缺点，导致钛及钛合金零部件在服役过程中收到磨损作用而失效。因此提高钛合金的耐磨损性能对扩大钛合金的应用范围有着重要意义。
搅拌摩擦加工技术由搅拌摩擦焊技术衍生出，利用非消耗式搅拌头“旋转- 搅拌-行进”复合机械运动，使加工区金属材料经历剧烈塑性变形，搅拌区组织发生反复动态再结晶行为，实现加工组织致密化、细晶化和均匀化。搅拌摩擦加工过程中搅拌针不需要穿透被加工材料，单道次搅拌摩擦加工处理可用于加工小体积工件，部分重叠多道次搅拌摩擦加工可实现大面积工件表面加工。搅拌摩擦加工具有无污染、可重复性强、低能耗、可操作性强等特点，具有显著工程意义。
搅拌摩擦加工过程中金属材料的剧烈塑性变形与动态再结晶作用可以有效减小材料的晶粒尺寸。织构取向是控制材料性能的独立因素之一。钛为密排六方结构金属，对称性差，加工易形成织构。织构的产生使金属的性能出现各向异性。因此织构对钛及钛合金性能影响显著。钛合金中织构的控制对提高其性能有着至关重要的作用。搅拌摩擦加工后，搅拌核心区织构为HCP结构钛c轴近似平行于搅拌头行进方向。通常钛及钛合金搅拌摩擦加工处理中搅拌头转速选用300rpm以上，普通搅拌摩擦加工处理后钛合金表面织构通常为柱面或锥面织构。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通过慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法。
本发明实现其目的采用的技术方案为：一种慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，包括如下步骤：在氩气保护条件下，将待处理的钛板材固定在搅拌摩擦加工设备上进行表面处理，处理工艺条件为：搅拌头转速100～200 rpm，搅拌头前进速度为10～50mm/min，压下量为0.1～0.5mm。
所述搅拌摩擦加工使用的搅拌头的搅拌针长度为2～4mm。
所述搅拌摩擦加工使用钨铼合金搅拌头，搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。
所述钛板材为退火态钛板材。
作为优选地，上述方法包括如下步骤：在氩气保护条件下，将待处理的钛板材固定在搅拌摩擦加工设备上进行表面处理，处理工艺条件为：搅拌头转速 180rpm，搅拌头前进速度为25mm/min，压下量为0.5mm，搅拌头倾斜角为3°。
本发明的另一目的在于提供一种慢转速搅拌摩擦加工制备耐磨损钛表面的方法，包括如下步骤：采用上述慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法进行搅拌摩擦加工，然后进行表面切削处理，切削厚度为0.8～1.5mm。
作为优选地，切削厚度为1.0mm。
本发明的有益效果是：将搅拌摩擦加工与合金织构调控相结合，改变目前钛及钛合金搅拌摩擦加工形成的表面织构，进一步提高钛板材耐磨性能。本发明使用慢转速搅拌摩擦方式，调控钛合金表面织构，得到近基面织构；同时本发明提供搅拌摩擦加工处理后表面处理工艺，获得耐磨性优秀的钛表面，可以有效提高钛的耐磨损性能。本发明方法获得的表面织构稳定，实验可重复性好，操作方便，效率高。
附图说明
图1是慢转速搅拌摩擦加工前后钛材料显微组织图，其中，(a)：处理前板面组织，(b)：处理后板面组织。
图2是慢转速搅拌摩擦加工后样品织构变化图，其中，(a)：加工后板材表面织构，(b)：加工后距表面1mm处织构，(c)：加工后距表面2mm处织构。
图3慢转速搅拌摩擦加工前后样品及不同深度处磨损率统计图。
图4球磨后慢转速搅拌摩擦加工前后样品磨损截面轮廓图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
以下实施例均采用钨铼合金搅拌头进行搅拌摩擦加工处理，搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。实验材料选用退火态工业纯钛TA2板材，加工前将板材浸没在丙酮溶液中，利用超声波清洗掉试样的表面油污。原始板材的退火工艺和初始状态如表1所示。
表1工业纯钛TA2退火工艺及室温状态
钛及钛合金在550℃以上进行机械加工易氧化，因此搅拌摩擦加工中需全程通入高纯氩气对板材进行保护。钛合金导热性差，加工过程应对板材强制冷却以保持剧烈塑性变形后再结晶产生的细晶组织，同时防止板材在加工过程中发生氧化污染问题。
实施例1
搅拌摩擦加工工艺采用180rpm搅拌头转速，25mm/min搅拌头行进速度，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。使用ECC观察搅拌处理前后样品微观组织 (如图1所示)。从图1可见，搅拌摩擦处理后样品晶粒尺寸约为5μm，该剧烈塑性变形方式可以有效细化晶粒并且保证细晶组织均匀。
搅拌摩擦后样品方向定义为：PD-搅拌头行进方向，TD-垂直于搅拌头行进方向，ND-板厚方向。使用EBSD分析样品织构，测试范围为1mm x 1mm，结果如图2所示，样品搅拌核心区从表面到心部织构特点有所变化，距表层1mm左右深度以内，板材表面为近基面织构，表层1mm左右深度以下，板材织构转变为基面//ND方向。对初始样品及距表面不同深度样品进行球盘干滑动摩擦磨损实验，滑动速率为62.8mm/s，测试不同载荷下样品磨损率,结果如图3所示；加工前后样品磨损截面轮廓图如图4所示。实验结果表明搅拌摩擦处理可以有效提高钛的耐磨损性能，慢转速搅拌摩擦处理后距表面深度1mm左右的组织具有最佳的耐磨损性能。对搅拌摩擦处理后的钛板材进行表面切削处理，切削厚度为1 mm，得到耐磨损钛表面。
实施例2
搅拌摩擦加工工艺采用100rpm搅拌头转速，50mm/min搅拌头行进速度，轴肩下压量0.3mm，搅拌头倾斜角3°。使用ECC观察搅拌处理前后样品微观组织，搅拌摩擦处理后样品晶粒尺寸约为4μm，该剧烈塑性变形方式可以有效细化晶粒并且保证细晶组织均匀。
使用EBSD分析样品织构，测试范围为0.2mm x 2mm，结果显示，样品搅拌核心区从表面到心部织构特点有所变化，距表层1mm左右深度以内，板材表面为近基面织构，表层1mm左右深度以下，板材织构转变为基面//ND方向。对初始样品及距表面不同深度样品进行球盘干滑动摩擦磨损实验，滑动速率为62.8 mm/s，测试不同载荷下样品磨损率，实验结果表明搅拌摩擦处理可以有效提高钛的耐磨损性能，慢转速搅拌摩擦处理后距表面深度0.8mm左右的组织具有最佳的耐磨损性能。对搅拌摩擦处理后的钛板材进行表面切削处理，切削厚度为0.8 mm，得到耐磨损钛表面。
实施例3
搅拌摩擦加工工艺采用200rpm搅拌头转速，10mm/min搅拌头行进速度，轴肩下压量0.1mm，搅拌头倾斜角3°。使用ECC观察搅拌处理前后样品微观组织，搅拌摩擦处理后样品晶粒尺寸约为7μm，该剧烈塑性变形方式可以有效细化晶粒并且保证细晶组织均匀。
使用EBSD分析样品织构，测试范围为0.2mm x 1.5mm，结果显示，样品搅拌核心区从表面到心部织构特点有所变化，距表层1.5mm左右深度以内，板材表面为近基面织构，表层1.5mm左右深度以下，板材织构转变为基面//ND方向。对初始样品及距表面不同深度样品进行球盘干滑动摩擦磨损实验，滑动速率为 62.8mm/s，测试不同载荷下样品磨损率，实验结果表明搅拌摩擦处理可以有效提高钛的耐磨损性能，慢转速搅拌摩擦处理后距表面深度1.5mm左右的组织具有最佳的耐磨损性能。对搅拌摩擦处理后的钛板材进行表面切削处理，切削厚度为1.5mm，得到耐磨损钛表面。

Claims (7)

1.一种慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：在氩气保护条件下，将待处理的钛板材固定在搅拌摩擦加工设备上进行表面处理，处理工艺条件为：搅拌头转速100～200rpm，搅拌头前进速度为10～50mm/min，压下量为0.1～0.5mm。
2.如权利要求1所述的慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工使用的搅拌头的搅拌针长度为2～4mm。
3.如权利要求1所述的慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工使用钨铼合金搅拌头，搅拌头轴肩直径160mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。
4.如权利要求1所述的慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，其特征在于，所述钛板材为退火态钛板材。
5.如权利要求1所述的慢转速搅拌摩擦加工对钛表面进行改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：在氩气保护条件下，将待处理的钛板材固定在搅拌摩擦加工设备上进行表面处理，处理工艺条件为：搅拌头转速180rpm，搅拌头前进速度为25mm/min，压下量为0.5mm，搅拌头倾斜角为3°。
6.一种慢转速搅拌摩擦加工制备耐磨损钛表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用权利要求1至5任一项所述的方法进行搅拌摩擦加工，然后进行表面切削处理，切削厚度为0.8～1.5mm。
7.如权利要求6所述的慢转速搅拌摩擦加工制备耐磨损钛表面的方法，其特征在于，切削厚度为1.0mm。
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