CN110686955A - 一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低Ti‑10V‑2Fe‑3Al合金强化层表面粗糙度的方法，所述方法包括以下步骤，(1)、使用电火花线切割机将Ti‑10V‑2Fe‑3Al合金切割成样品；(2)、对切割后的样品进行热处理；(3)、使用240#，600#，1000#，2000#水砂纸打磨，除去热处理时表面产生的氧化膜，然后经过1#，3#，4#，5#金相砂纸细磨、抛光，使得表面光滑平整；(4)、将铸铁弹丸与水进行混合处理，弹丸：水为1:10；(5)、对试样表面进行湿喷丸处理；(6)、对试样的横截面进行金相观察；(7)、对试样的表面形貌进行观察；(8)、对试样表面粗糙度进行测定。本发明能够使经过喷丸的Ti‑10V‑2Fe‑3Al合金的表面粗糙度有效降低，从而提升材料抗疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及合金表面处理技术领域，具体涉及一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法。
背景技术
Ti-10V-2Fe-3Al钛合金具有强度高、韧性好、密度低、抗蚀性好、优异的热加工性能、淬透性好、各向异性小等优异性能。由于其比强度相对较高，常作为结构材料，可以有效地降低了结构件的重量。目前主要用于飞机的桨毂、起落架、横梁以及机翼等。但Ti-10V-2Fe-3Al 合金存在非常高的缺口敏感性，易使构件表面容易产生应力集中现象，导致裂纹扩展速率加速，进一步降低航空构件疲劳寿命。同时，Ti-10V-2Fe-3Al合金硬度较低，抗疲劳磨损较差，明显限制了Ti-10V-2Fe-3Al合金在航空航天中的进一步应用。
目前，提高结构件疲劳强度及表面硬度的有效方式之一是喷丸处理，喷丸处理后的 Ti-10V-2Fe-3Al合金高温抗氧化、抗磨损和抗疲劳性能都有非常明显的提高和改善。Ti-10V-2Fe-3Al合金材料喷丸强化处理多采用干喷丸工艺。但干喷丸处理后表面粗糙度会有明显增加，表面粗糙度与材料抗疲劳性能有直接关联，在喷丸强化处理时所采用的弹丸越大、时间越短或者压力越大等，都会导致材料表面粗糙度越大和强化层越浅，过大的表面粗糙度值和较小的强化层都会降低Ti-10V-2Fe-3Al合金的抗疲劳性能。
近年来提出了一种新的喷丸冲击强化方式，即湿喷丸冲击强化技术，湿喷丸处理是将弹丸与水混合成浆料撞击材料表面，可以有效降低待处理表面与弹丸之间的干摩擦，使得待处理试样表面受到均匀的作用力，能够有效降低干喷丸强化所引起的表面粗糙度，进而提升材料抗疲劳性能。针对干喷丸处理后表面粗糙度会有明显增加，导致Ti-10V-2Fe-3Al合金的疲劳性能的下降及服役寿命的降低的问题。本文主要通过湿喷丸技术对Ti-10V-2Fe-3Al合金表面进行处理，使经过湿喷丸的Ti-10V-2Fe-3Al合金的表面粗糙度有效降低，从而提升材料抗疲劳性能。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，使经过喷丸的Ti-10V-2Fe-3Al合金的表面粗糙度有效降低，从而提升材料抗疲劳性能。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，所述方法包括以下步骤，
(1)、使用电火花线切割机将Ti-10V-2Fe-3Al合金切割成样品；
(2)、对切割后的样品进行热处理；
(3)、使用240#，600#，1000#，2000#水砂纸打磨，除去热处理时表面产生的氧化膜，然后经过1#，3#，4#，5#金相砂纸细磨、抛光，使得表面光滑平整；
(4)、将铸铁弹丸与水进行混合处理，弹丸：水为1:10；
(5)、对试样表面进行湿喷丸处理；
(6)、对试样的横截面进行金相观察；
(7)、对试样的表面形貌进行观察；
(8)、对试样表面粗糙度进行测定。
优选的，所述步骤(1)中样品的规格为10×10×5mm。
优选的，所述步骤(2)中热处理工艺为825℃×20min，油淬。
优选的，所述步骤(4)中使用6050B型喷砂机对混合的弹丸对试样表面进行喷射处理。
优选的，所述步骤(5)中喷丸设备采用6050B型喷砂机；喷丸压力恒定在0.6MPa，喷丸距离设为30mm，弹丸直径分别为1mm、2mm和4mm，喷丸时间为5min、10min、15min、 30min和45min。
优选的，所述步骤(6)中喷丸处理后的Ti-10V-2Fe-3Al样品利用电火花线切割机进行垂直切割，将垂直于喷丸处理面一侧作为观察区，所需试样经过镶嵌处理后利用水砂纸粗磨后再用金相砂纸细磨，最后在抛光机上进行抛光处理至镜面；经过抛光处理后的试样利用 HF:HNO3:H2O＝1:3:10配制成的腐蚀液进行腐蚀处理，对腐蚀后的Ti-10V-2Fe-3Al试样表面形貌进行XJP-6A光学显微镜观察。
优选的，所述步骤(7)中采用型号为Nova Nano SEM450场发射环境扫描显微镜分析试验所用原材料晶粒尺寸大小喷丸处理后表面状态，其工作电压、电流分别为20KV和30mA。
优选的，所述步骤(8)中采用JB-6CA粗糙度轮廓仪测量Ti-10V-2Fe-3Al合金样品喷丸前后表面粗糙度；样本长度L是0.8mm，采样速度为0.5mm/s，指针半径为2μm，测量长度为8mm；主要利用试样表面轮廓算数平均数Ra，来评估喷丸前后试样表面粗糙层度；
式中：L为取样长度范围；|y(x)|为表面轮廓上各点到中线距离。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明使用湿喷丸技术对Ti-10V-2Fe-3Al合金表面进行处理，有效降低Ti-10V-2Fe-3Al合金表面的粗糙度。本发明提供了一种通过喷丸技术对 Ti-10V-2Fe-3Al合金进行表面处理，通过改变喷丸的工艺参数，包括喷丸时间，喷丸尺寸进行不同试验，得到了最佳的喷丸工艺参数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的Ti-10V-2Fe-3Al合金金相组织图，其中，(a)固溶淬火态组织形貌、(b)2mm弹丸湿喷丸30min后的截面金相图；
图2是本发明的Ti-10V-2Fe-3Al钛合金退火态及经2mm弹丸湿喷丸处理不同时间的SEM 组织形貌；其中，(a)为原始试样退火态；(b)为5min；(c)为15min；(d)为45min；
图3是本发明的Ti-10V-2Fe-3Al合金经不同工艺参数喷丸处理后表面粗糙度的变化曲线；其中，(a)为干喷丸，(b)为湿喷丸；
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本文使用的材料是Ti-10V-2Fe-3Al钛合金，其化学成分表1所示。
表1 Ti-10V-2Fe-3Al钛合金化学成分表(wt％)
实验过程包括以下步骤：
(1)首先使用电火花线切割机将Ti-10V-2Fe-3Al合金切割成10×10×5mm样品；
(2)对切割后的样品进行热处理，热处理工艺为825℃×20min，油淬。
(3)使用240#，600#，1000#，2000#水砂纸打磨，除去热处理时表面产生的氧化膜，然后经过1#，3#，4#，5#金相砂纸细磨、抛光，使得表面光滑平整；
(4)将铸铁弹丸与水进行混合处理，弹丸：水为1:10；
(5)对试样表面进行湿喷丸处理；
(6)对试样的横截面进行金相观察；
(7)对试样的表面形貌进行观察；
(8)对试样表面粗糙度进行测定；
步骤(2)中热处理的目的是降低机械加工效果的影响并获得均匀的微观组织。
步骤(4)中使用6050B型喷砂机对混合的弹丸对试样表面进行喷射处理。
步骤(5)中喷丸设备采用6050B型喷砂机。喷丸压力恒定在0.6MPa，喷丸距离设为30mm，弹丸直径分别为1mm、2mm和4mm，喷丸时间为5min、10min、15min、30min和45min。
步骤(6)中喷丸处理后的Ti-10V-2Fe-3Al样品利用电火花线切割机进行垂直切割，将垂直于喷丸处理面一侧作为观察区，所需试样经过镶嵌处理后利用水砂纸粗磨后再用金相砂纸细磨，最后在抛光机上进行抛光处理至镜面。经过抛光处理后的试样利用 HF:HNO3:H2O＝1:3:10配制成的腐蚀液进行腐蚀处理，对腐蚀后的Ti-10V-2Fe-3Al试样表面形貌进行XJP-6A光学显微镜观察。
如图1中(a)图所示，淬火态合金的组织较均匀，但晶粒偏大，平均晶粒尺寸大约为200μm。图1中(b)图所示为2mm弹丸经30min湿喷丸处理后的金相组织照片。对喷丸处理后的Ti-10V-2Fe-3Al合金的横截面通过金相显微镜观察发现，喷丸作用层的晶粒组织与原始组织具有明显区别，最表层的变形层内出现了“白亮”层，该区域内原始晶界变得模糊不清，在该区域下方能够明显观察到晶粒细化的孪晶块，该区域晶粒经过大塑性变形后细化至亚微米以下，以至于在金相显微镜下观察不到晶界存在。横截面的组织从严重变形的晶粒逐渐转化为基体中未变形的晶粒。湿喷丸处理后的最表层没有出现明显的凹坑，这说明湿喷丸处理中的水介质对弹丸喷丸时起到了明显的润滑及缓冲作用，较好的减缓了材料因喷丸处理带来的损伤。
步骤(7)中采用型号为Nova Nano SEM450场发射环境扫描显微镜分析试验所用原材料晶粒尺寸大小喷丸处理后表面状态，其工作电压、电流分别为20KV和30mA。
图2中(b)图与(a)图相比较可知Ti-10V-2Fe-3Al合金表层经2mm直径弹丸湿喷丸5min处理后表层发生了明显的塑性变形，出现大量孪晶，但表层的变形层较浅，晶界基本消失。图2中(c)图所示为Ti-10V-2Fe-3Al合金经2mm直径湿喷丸15min时组织形貌图。表层的晶粒已经细化到微纳米级别，且表层组织由于孪晶切割等很难观察到原始晶粒组织，但是作用层深度明显加深。从图2中(d)图所示为Ti-10V-2Fe-3Al合金经2mm直径弹丸湿喷丸处理45min时的截面SEM组织形貌，靠近表面的区域流变性塑性变形明显增大，且孪晶切割细化更加明显，作用层深度变化不大。综上所述，在喷丸强化过程中，大量不锈钢铸铁丸以很高的速度冲击强化试样表面，从而诱导材料表面发生形变。这个过程类似无数的小载荷不断地打压材料表面，但是这些弹丸是不连续的作用在材料的表面的，且压力方向与弹丸喷丸作用时方向一致。在这些无数小压力作用下，材料表层会发生屈服变形，越接近表面，压力值越大，变形程度也越大。喷丸冲击强化产生的塑性变形和其它强烈塑性变形不同，因而喷丸处理后材料内部晶粒组织不均匀且呈现出由最表层从小到大梯度排列。
步骤(8)中采用JB-6CA粗糙度轮廓仪测量Ti-10V-2Fe-3Al合金样品喷丸前后表面粗糙度。样本长度L是0.8mm，采样速度为0.5mm/s，指针半径为2μm，测量长度为8mm。主要利用试样表面轮廓算数平均数Ra，来评估喷丸前后试样表面粗糙层度；
式中：L为取样长度范围；|y(x)|为表面轮廓上各点到中线距离。
图3所示为Ti-10V-2Fe-3Al合金经不同工艺参数湿喷丸处理后表面粗糙度的变化曲线图。如图3所示，Ti-10V-2Fe-3Al合金经湿喷丸处理后的试样表面粗糙度大小随时间的变化趋势呈现先迅速增大再降低，最后变为缓慢增加。此前已有研究发现纯钛经高能喷丸后表面粗糙度的变化规律，结果发现试样表面喷丸覆盖率达到100％，表面粗糙度达到极小值。这一研究的结论与本实验研究结果十分吻合。Ti-10V-2Fe-3Al合金试样在1mm尺寸弹丸喷丸5min后，表面粗糙度由0.102μm增加到1.355μm，随着喷丸时间增加到10min时，试样表面粗糙度增加到最大(2.271μm)，与相同条件下干喷丸粗糙度最大值(4.028μm)相比降低了43.6％。当喷丸时间为15min时，喷丸试样表层粗糙度明显降低(1.819μm)。当喷丸时间继续增加时表面粗糙度会先降低(30min时粗糙度为1.251μm)再缓慢增加(45min时粗糙度为1.526μm)。同时从图2中可以看出2mm和4mm弹丸尺寸时也有类似规律，2mm弹丸湿喷丸处理后表层粗糙度最大值0.854μm，与相同条件下干喷丸处理后最大粗糙度值1.632μm相比降低了47.6％；4mm弹丸湿喷丸处理后表层粗糙度最大值1.251μm，与相同条件下干喷丸处理后最大值2.697μm相比降低了53.6％。这是由于10min之前，试样表面喷丸覆盖率较低导致粗糙度值会随时间增大而增大。当喷丸时间增加至15min时，Ti-10V-2Fe-3Al合金表面粗糙度明显降低，这是因为随着喷丸覆盖率提高(小于100％)，前期形成的弹丸坑在弹丸连续不断的撞击下相互挤压，重叠，表面起伏减小，表面粗糙度下降。随着喷丸处理时间为30min 时，试样表面粗糙度出现极小值(1.251μm)，这是因为随着喷丸时间的延长喷丸作用面相互挤压、重叠进一步提高最终连接成片，即喷丸覆盖率达到100％。当喷丸时间达到45min时，试样表面粗糙度缓慢增加，这是由于试样表面加工硬化的效果还不是很明显，表面强度还相对较低，新的弹丸撞击会使得原先连接成片的区域又开始出现新的“峰”和“谷”，表面又重新变得凹凸不平，粗糙度增加。
且从图3中可看出，无论哪一种弹丸尺寸湿喷丸后表面粗糙度都会较喷丸处理前(0.102μm)试样有明显提高。图3中明显可以看出1mm弹丸喷丸处理后表面粗糙度较2mm 和4mm相比较高，这可能是由于1mm尺寸弹丸与表面接触面积较小，导致受力不均匀，从而粗糙度较大。Ti-10V-2Fe-3Al合金表面粗糙度值与喷丸时的弹丸尺寸大小并不存在线性关系。这主要是单个不同尺寸的弹丸喷射到试样表面时，弹丸与试样的有效接触面积不同，且单个不同尺寸的弹丸所具有的能量也不等。此外，与采用直径为1mm和2mm的弹丸进行喷丸处理的表面粗糙度值相比，采用4mm弹丸湿喷丸处理时，试样表面粗糙度值要明显大于采用1mm、2mm尺寸弹丸喷丸时表面粗糙度值。这可能还是由于单个4mm弹丸所携带的能量过大，且采用大尺寸弹丸喷丸处理时，试样表面覆盖率较低。
本发明的关键点：使用湿喷丸技术对Ti-10V-2Fe-3Al合金表面进行处理，有效降低 Ti-10V-2Fe-3Al合金表面的粗糙度。
本发明提供了一种通过湿喷丸技术对Ti-10V-2Fe-3Al合金进行表面处理，通过改变湿喷丸的工艺参数，包括喷丸时间，喷丸尺寸进行不同试验，得到了最佳的湿喷丸工艺参数。当喷丸压力恒定在0.6MPa，喷丸距离设为30mm时，喷丸尺寸为2mm，喷丸时间为30min条件下得到的Ti-10V-2Fe-3Al合金的表面粗糙度较干喷丸明显降低。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (8)
1.一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
(1)、使用电火花线切割机将Ti-10V-2Fe-3Al合金切割成样品；
(2)、对切割后的样品进行热处理；
(3)、使用240#，600#，1000#，2000#水砂纸打磨，除去热处理时表面产生的氧化膜，然后经过1#，3#，4#，5#金相砂纸细磨、抛光，使得表面光滑平整；
(4)、将铸铁弹丸与水进行混合处理，弹丸：水为1:10；
(5)、对试样表面进行湿喷丸处理；
(6)、对试样的横截面进行金相观察；
(7)、对试样的表面形貌进行观察；
(8)、对试样表面粗糙度进行测定。
2.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(1)中样品的规格为10×10×5mm。
3.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(2)中热处理工艺为825℃×20min，油淬。
4.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(4)中使用6050B型喷砂机对混合的弹丸对试样表面进行喷射处理。
5.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(5)中喷丸设备采用6050B型喷砂机；喷丸压力恒定在0.6MPa，喷丸距离设为30mm，弹丸直径分别为1mm、2mm和4mm，喷丸时间为5min、10min、15min、30min和45min。
6.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(6)中喷丸处理后的Ti-10V-2Fe-3Al样品利用电火花线切割机进行垂直切割，将垂直于喷丸处理面一侧作为观察区，所需试样经过镶嵌处理后利用水砂纸粗磨后再用金相砂纸细磨，最后在抛光机上进行抛光处理至镜面；经过抛光处理后的试样利用HF:HNO3:H2O＝1:3:10配制成的腐蚀液进行腐蚀处理，对腐蚀后的Ti-10V-2Fe-3Al试样表面形貌进行XJP-6A光学显微镜观察。
7.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(7)中采用型号为Nova Nano SEM450场发射环境扫描显微镜分析试验所用原材料晶粒尺寸大小喷丸处理后表面状态，其工作电压、电流分别为20KV和30mA。
8.根据权利要求1所述的一种降低Ti-10V-2Fe-3Al合金强化层表面粗糙度的方法，其特征在于：所述步骤(8)中采用JB-6CA粗糙度轮廓仪测量Ti-10V-2Fe-3Al合金样品喷丸前后表面粗糙度；样本长度L是0.8mm，采样速度为0.5mm/s，指针半径为2μm，测量长度为8mm；主要利用试样表面轮廓算数平均数Ra，来评估喷丸前后试样表面粗糙层度；
式中：L为取样长度范围；|y(x)|为表面轮廓上各点到中线距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200114 |