CN108411232B - 一种tc4合金表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TC4合金表面处理方法，用于解决因TC4表面粗糙度和其表面的剧烈塑性变形层厚度造成其应用性能的技术问题。该方法首先将TC4合金通过第一次去应力退火处理和第一次喷丸处理后，使TC4合金表层发生大应变和高应变速率的剧烈塑性变形，实现其表面纳米化；再对TC4合金进行真空退火处理，进一步消除内应力，在表面纳米结构不发生明显粗化的前提下使其可承载进一步塑性变形；最后对真空退火后的TC4合金进行在短时间下的第二次喷丸，降低TC4合金表面粗糙度并增大其表面的剧烈塑性变形层厚度。经测试，TC4合金表面粗糙度由背景技术的4.80μm降低到2.19～2.33μm；同时TC4合金表面剧烈塑性变形层的厚度由背景技术的60μm增大到138～171μm。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金表面改性方法。特别是涉及TC4表面粗糙度及表面剧烈塑性变形层厚度的处理方法。
背景技术
作为高性能轻量化合金，TC4合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等特点，在航空航天领域主要用于制造发动机的风扇、压气机盘及叶片，因而多服役于高温、高压等严苛环境。航空发动机叶片疲劳断裂故障突出，是制约航空发动机可靠服役的重点和难点问题，迫切需要解决。纳米材料的晶粒尺寸小、界面密度高，表现出优于传统粗晶材料的优异性能。通过机械诱发金属表层局部剧烈塑性变形制备表面纳米晶是纳米材料领域最具潜力的技术之一，为改善TC4合金的整体性能和服役寿命创造了条件。
文献1“杨磊，高能喷丸表面纳米化后表面粗糙度和损伤的研究，大连交通大学硕士学位论文，2012，55～58”报道了采用履带式抛丸机在弹丸速度为45m/s和时间为120～240min下于TC4合金表面制备出纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金剧烈塑性变形层(晶粒尺寸小于1μm)的厚度小于50μm，表面粗糙度大于4.80μm。文献2“张聪慧，刘研蕊，兰新哲，钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能，热加工工艺，2006，35(1)：5～7”报道了采用表面机械研磨处理方法在振动频率为48Hz和喷丸时间为30min、60min下于TC4合金表面制备了纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金剧烈塑性变形层厚度为60μm。文献3“Y.Li，K.N.Sun，P.Liu，Y.Liu，P.F.Chui，Surface nanocrystallization induced by fastmultiple rotation rolling on Ti-6Al-4V and its effect on microstructure andproperties，Vacuum，2014，101：102～106”报道了采用快速多重旋转滚挤方法在压力为4.2MPa、旋转速度为1600rpm和时间为60min下于TC4合金表面制备出纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度为40μm。
一般来说，表面粗糙度越大，钛合金对应力集中越敏感，越容易萌生疲劳裂纹，进而降低钛合金的疲劳强度。此外，剧烈塑性变形层厚度越小，钛合金喷丸后表层残余压应力的深度越小，钛合金的抗疲劳性能改善程度越小。上述方法虽然制备了TC4合金表面纳米结构，但制备的TC4合金表面粗糙度较大和其表面的剧烈塑性变形层厚度较小，制约了其有效应用。
发明内容
为了克服现有技术制备的TC4合金表面粗糙度较大且TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度不足的技术问题，本发明提供一种TC4合金表面处理方法。该方法首先将TC4合金通过第一次去应力退火处理，然后在大气压力下进行第一次喷丸，经较长时间的喷丸处理后，使TC4合金表层发生大应变和高应变速率的剧烈塑性变形，实现其表面纳米化；再对TC4合金进行真空退火处理，进一步消除内应力，在表面纳米结构不发生明显粗化的前提下使其可承载进一步塑性变形；最后对真空退火后的TC4合金进行在短时间下的第二次喷丸，降低TC4合金表面粗糙度并增大其表面的剧烈塑性变形层厚度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)对TC4合金进行去应力退火处理。退火温度为600～650℃，保温时间为60～90min，其中优选退火温度为600℃，保温时间为60min，空冷至室温；
(2)采用ASH230弹丸对去应力退火后的TC4合金进行第一次喷丸处理。空气压力为0.35～0.40MPa，喷丸时间为60～80min，其中优选空气压力为0.35MPa，喷丸时间为70min；
(3)对喷丸后的TC4合金进行真空退火处理。退火温度为450～500℃，保温时间为30～40min，真空度为5×10-3～10-2Pa，其中优选退火温度为500℃，保温时间为30min，真空度为真空度为5×10-3Pa；
(4)采用ASH230弹丸对真空退火后的TC4合金进行第二次喷丸处理。空气压力为0.35～0.40MPa，其中优选0.35MPa，喷丸时间为10～20min。
所述步骤(2)和步骤(4)中，均采用ASH230弹丸对TC4合金进行喷丸处理。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明制备的TC4合金表面粗糙度大幅度降低，同时增大了其表面的剧烈塑性变形层厚度。该合金剧烈变形层厚度由背景技术的60μm增大到138～171μm，最大达到了171μm，是背景技术的2.8倍；表面粗糙度由背景技术的4.80μm降低到2.19～2.33μm，最低达到了2.19μm，比背景技术中降低了54％。
附图说明
图1为本发明实施例1制备TC4合金表面纳米结构的透射电镜明场照片。
图2为本发明实施例1制备TC4合金表面纳米结构的透射电镜暗场照片。
图3为本发明实施例1制备TC4合金表面纳米结构的晶粒尺寸统计结果。
图4为本发明实施例1制备TC4合金的横截面扫描电镜照片。
图5是本发明实施例1制备TC4合金的表面粗糙度。
具体实施方式
实施例1
一种TC4合金表面处理方法，具体步骤如下：
(1)对TC4合金试样进行去应力退火处理，退火温度为600℃，保温时间为60min，空冷至室温；
(2)采用ASH230弹丸对去应力退火后的TC4合金试样进行第一次喷丸处理，空气压力为0.35MPa，喷丸时间为70min；
(3)对喷丸后的TC4合金试样进行真空退火处理，退火温度为500℃，保温时间为30min，真空度为5×10-3Pa；
(4)采用ASH230弹丸对真空退火后的TC4合金试样进行第二次喷丸处理，空气压力为0.35MPa，喷丸时间为10min。
图1和图2分别为实例1制备TC4合金表面纳米晶的透射电镜眀场和暗场照片。从明场像和暗场像可以看出，TC4合金试样表面的晶粒极其细小；由图3晶粒尺寸统计结果可以看出，试样表面的晶粒已细化为纳米晶，平均晶粒尺寸为59.4nm。图4是实例1制备TC4合金的横截面扫描电镜照片，从图4可以看出，TC4合金剧烈塑性变形层的厚度达到171μm。图5是实例1制备TC4合金的表面粗糙度，为2.19μm。
实施例2
根据实施例1的制备方法，改变步骤(4)中第二次喷丸时间为20min，对实施例中TC4合金试样进行表面处理，该合金的剧烈塑性变形层厚度达到138μm，表面粗糙度为2.33μm。
对比例1
根据CN104630677A中实施例1的技术方案对本发明中的TC4合金试样进行表面处理。具体步骤如下：对TC4合金试样进行退火处理，处理条件为：加热温度为550℃，保温时间1.5h,炉冷至室温；采用ASH230弹丸对退火处理的TC4合金进行第一次喷丸处理，处理条件为：空气压力0.45MPa，喷丸时间12min；采用ASH460弹丸对TC4合金进行第二次喷丸处理，处理条件为：空气压力0.25MPa，喷丸时间3min；喷丸过程中通过振动筛和螺旋分离器对弹丸尺寸及弹丸圆整度进行控制。经上述处理后，TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度和表面粗糙度如表4所示。
对比例2
根据CN104630678A中实施例1的技术方案对本发明中的TC4合金试样进行表面处理。具体步骤如下：对TC4合金试样进行退火处理，处理条件为：温度为600℃，保温时间为1.5h，空冷至室温；依次采用80#、240#、600#水砂纸研磨TC4合金表面，并将磨后的TC4合金浸于无水乙醇中超声清洗；将清洗后的TC4合金放入夹具中，使钛合金研磨表面与夹具上表面平齐；将上述夹具放入喷丸室进行喷丸处理，处理条件为：弹丸尺寸Ф6mm，空气压力0.25MPa,喷丸时间60min。经上述处理后，TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度和表面粗糙度如表1所示。
表1
| 厚度 | 粗糙度 | |
| 实施例1 | 171μm | 2.19μm |
| 对比例1 | 77μm | 2.53μm |
| 对比例2 | 115μm | 3.62μm |
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明精神的基础之下，本领域普通技术人员可以对本发明的技术方案做出的各种修改和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种TC4合金表面处理方法，包括退火处理和喷丸处理，其特征在于包括以下工艺步骤：
（1）对TC4合金进行去应力退火处理；
（2）对去应力退火处理后的TC4合金进行第一次喷丸处理，所述喷丸条件为空气压力为0.3~0.4 MPa，喷丸时间为60~80 min；
（3）对第一次喷丸处理后的TC4合金进行真空退火处理，所述退火温度为450~500℃，保温时间为30~40 min，真空度为5×10-3~5×10-2Pa；
（4）对真空退火处理后的TC4合金进行第二次喷丸，所述喷丸条件为空气压力为0.3~0.4 MPa，喷丸时间为10~20 min。
2.根据权利要求1所示的TC4合金表面处理方法，其特征在于，所述步骤（1）的处理条件为：退火温度为600~650℃，保温时间为60~90 min，空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的TC4合金表面处理方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（4）中，均采用ASH230弹丸对TC4合金进行喷丸处理。
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