CN111070106A - 提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,包括:对颗粒增强金属基复合材料进行研磨处理,去除其表面的机加工缺陷;对经研磨处理后的颗粒增强金属基复合材料进行预热处理,提高后续喷丸处理过程引入表面残余压应力的最大值和总体层深,同时避免表面残余压应力在高温环境下发生应力松弛;对经预热处理后的颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理;对经喷丸处理后的颗粒增强金属基复合材料进行抛光处理,降低其表面粗糙度。本发明不仅提高了颗粒增强金属基复合材料表面残余压应力的最大值和总体层深,而且显著降低了颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度,从而较大程度地改善了颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是材料表面处理技术领域,具体地,涉及一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料相较于金属材料,具有高比强度、高比刚度、低密度、耐磨损等优异的综合性能,它作为结构件材料,已逐渐取代后者,开始广泛地应用于航空航天和汽车工业等领域。在上述领域中,由于会受到复杂的交变载荷和外界环境的影响,疲劳断裂成为颗粒增强金属基复合材料的主要失效形式。因此,提高颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能对于航空航天和汽车工业等领域的发展尤为重要。
喷丸强化是一种能够有效提高金属材料抗疲劳性能的表面处理方法,它可以在金属材料表面引入残余压应力层,以减缓金属材料在疲劳失效过程中其内部疲劳裂纹的萌生与扩展,从而达到提高金属材料抗疲劳性能的目的。然而金属材料在经过喷丸处理后,其表面粗糙度会有较大程度地提高,这对于金属材料的抗疲劳性能会产生非常不利的影响。中国专利CN101530985A公开了一种适用于金属材料的二次喷丸工艺,可以兼顾金属材料表面的强化与抛光,其主要步骤为:(1)对金属材料进行一次喷丸,使金属材料达到饱和喷丸强度;(2)在一次喷丸的基础上,进行二次喷丸,二次喷丸的饱和喷丸强度约为一次喷丸的0.6倍。该方法可以在对一些金属材料进行表面强化的同时,将其表面粗糙度(Ra值)控制在2μm以下。
然而,颗粒增强金属基复合材料不同于金属材料的是,其增强体通常为较脆的陶瓷相,颗粒增强金属基复合材料表面的这些陶瓷增强体在喷丸过程中不会与金属基体一样发生塑性变形,反而有可能会发生断裂,导致颗粒增强金属基复合材料表面产生微裂纹,这些微裂纹会成为颗粒增强金属基复合材料疲劳失效过程中的裂纹源。增加喷丸次数虽然能改善颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度,但同时会加剧上述现象的发生,从而严重影响颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能。所以,二次喷丸的方法并不适用于颗粒增强金属基复合材料。
因此,目前需要开发一种适用于提高颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能的新工艺。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,通过将高温喷丸与磨抛工艺相结合,在保证喷丸处理对颗粒增强金属基复合材料表面强化效果的前提下,显著降低颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度,从而较大程度地改善颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能。
根据本发明的目的,提供一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,包括:
S1:对颗粒增强金属基复合材料进行研磨处理,去除其表面的机加工缺陷;
颗粒增强金属基复合材料相较于金属材料,一般都具有较好的耐磨损性能,对机加工工艺的要求很高,其表面在机加工过程后往往会留下划痕等加工缺陷,如果直接对颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理,这些缺陷会残留在颗粒增强金属基复合材料的表面,危害颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能。
S2:对经研磨处理后的颗粒增强金属基复合材料进行预热处理,提高后续喷丸处理过程引入表面残余压应力的最大值和总体层深,同时避免表面残余压应力在高温环境下发生应力松弛;
颗粒增强金属基复合材料在高温下强度会降低,这能使喷丸处理过程中弹丸影响的程度变大,从而提高颗粒增强金属基复合材料表面残余压应力的最大值和总体层深,对颗粒增强金属基复合材料进行预热而不是在喷丸处理过程中对颗粒增强金属基复合材料进行加热是为了避免颗粒增强金属基复合材料表面的残余压应力在高温环境下发生应力松弛。
S3:对经预热处理后的颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理;
S4:对经喷丸处理后的颗粒增强金属基复合材料进行抛光处理,降低其表面粗糙度。
经过喷丸处理后,颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度会增大,且表面的增强体颗粒会发生断裂而形成微裂纹,这些问题的存在都会降低颗粒增强金属基复合材料的疲劳寿命,需要通过一定的表面处理工艺来改善颗粒增强金属基复合材料的表面状态。常被用于金相组织分析的抛光处理工艺通过去除一层较薄的材料表面层,既可以降低颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度,也能避免因颗粒增强金属基复合材料表面的增强体断裂而引入微裂纹的现象发生。
优选地,在S1中,研磨处理是指对颗粒增强金属基复合材料通过320~1000目的研磨介质进行机械研磨。
采用320~1000目的研磨介质对原始颗粒增强金属基复合材料进行机械研磨处理,去除颗粒增强金属基复合材料表面的机加工痕迹;当研磨介质小于320目时,机械研磨过程可能会改变原始颗粒增强金属基复合材料的尺寸精度,这不利于颗粒增强金属基复合材料后续的设计与使用;当研磨介质大于1000目时,颗粒增强金属基复合材料表面较深的机加工痕迹会导致处理效率低下,增加颗粒增强金属基复合材料加工过程的成本。
优选地,在S2中,预热处理采用油浴加热。
优选地,油浴加热的加热温度为50~200℃,保温时间为30~60min。
油浴加热相较于水浴加热具有加热温度范围广、保温效果好等优点,相较于气氛加热则具有升温速度快、温度控制精确等优点,其加热温度一般不能超过200℃。由于热传递过程需要一定的时间,当保温时间过短时,颗粒增强金属基复合材料的实际温度可能还没达到加热介质的温度,这会使后续喷丸处理过程的表面强化效果达不到设计的要求,因此保温时间的设置由加热温度决定。
优选地,在S3中,喷丸处理采用气动式喷丸。
优选地,气动式喷丸的弹丸直径为0.1~0.3mm,喷射距离为50~200mm,气体压力为0.2~0.6MPa,喷丸时间为30~120s。
气动式喷丸可利用压缩空气的压强来调节喷丸强度,且喷嘴位置和方向调节方便,适用于各种喷丸强度要求精确且几何形状复杂的颗粒增强金属基复合材料。弹丸直径的增大、喷射距离的减小、气体压力的提高和喷丸时间的延长会使喷丸强度提高,反之会使喷丸强度降低。喷丸处理的参数要根据颗粒增强金属基复合材料的强度等具体性质决定,喷丸强度太小起不到表面强化作用,太大则会使颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度提高,均不利于颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的改善。
优选地,在S4中,抛光处理是指对颗粒增强金属基复合材料通过2000~5000目的抛光介质进行机械抛光。
由于抛光介质的目数远小于研磨介质,机械抛光过程可以在降低颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度和去除颗粒增强金属基复合材料表面发生断裂的增强体颗粒的同时,尽量减小对颗粒增强金属基复合材料表面的去层深度,保证喷丸处理的表面强化效果。
与现有技术相比,本发明具有如下至少一种的有益效果:
本发明上述方法,结合了高温喷丸与磨抛工艺的优点,不仅提高了颗粒增强金属基复合材料表面残余压应力的最大值和总体层深,而且显著降低了颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度,从而较大程度地改善了颗粒增强金属基复合材料的抗疲劳性能。通过疲劳试样表面的残余应力和粗糙度的测试结果得知,本发明可以在颗粒增强金属基复合材料的表面引入深度大于200μm的残余压应力层的同时,将其表面粗糙度(Ra值)降低至1μm以下,从而将颗粒增强金属基复合材料的疲劳寿命提高2倍以上。
此外,本发明具有工艺流程短、设备要求低、生产效率高、投资成本少等优点,可以在航空航天和汽车工业等领域的实际生产过程中进行大规模地应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明一优选实施例中颗粒增强金属基复合材料的表面处理示意图;
图2为本发明中实施例1和相同工艺参数的传统喷丸处理后颗粒增强金属基复合材料表面残余应力沿层深的分布曲线;
图3a为相同工艺参数的传统喷丸处理后颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度;
图3b为本发明中实施例1经表面处理后颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度;
图4为本发明中实施例2和相同工艺参数的传统喷丸处理后颗粒增强金属基复合材料表面残余应力沿层深的分布曲线;
图5a为相同工艺参数的传统喷丸处理后颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度;
图5b为本发明中实施例2经表面处理后颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明以下实施例所采用的试样均为搅拌铸造法制备且经过T6标准热处理的15vol.%SiCp/2A14Al复合材料,材料通过机加工制成疲劳试验所需试样,试样的形状与尺寸以及表面处理的位置与方向参照图1所示,如图中1箭头所指的方向为喷丸方向,图中2箭头所指的方向为磨抛方向,图中3箭头所指的方向为试验旋转方向,图中4箭头所指的方向为疲劳加载方向。当然,在其他实施例中,也是可以采用其他材料的试样的,本发明并不局限于上述材料。
实施例1
为本发明一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法的一优选实施例,该表面处理方法包括以下步骤:
S1:通过320目的研磨介质对原始颗粒增强金属基复合材料进行研磨处理,去除颗粒增强金属基复合材料表面的机加工痕迹。
S2:采用油浴加热方式对研磨后的颗粒增强金属基复合材料进行预热处理,加热温度为100℃,保温时间为30min;可提高后续喷丸处理过程引入表面残余压应力的最大值和总体层深,同时避免表面残余压应力在高温环境下发生应力松弛。
S3:利用气动式喷丸设备对预热后的颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理,弹丸直径为0.2mm,喷射距离为100mm,气体压力为0.6MPa,喷丸时间为60s。
S4:通过3000目的抛光介质对喷丸后的颗粒增强金属基复合材料进行抛光处理,降低颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度;得到经表面处理后的颗粒增强金属基复合材料。
作为对比,选择相同的喷丸处理工艺参数对同样的原始颗粒增强金属基复合材料进行传统喷丸处理。将分别由本实施例表面处理方法、传统的喷丸处理后的颗粒增强金属基复合材料的表面残余压应力和表面粗糙度进行对比,对比结果如下:
参照图2所示,为不同表面处理工艺后(本实施例表面处理方法和传统的喷丸处理)颗粒增强金属基复合材料表面残余应力沿层深的分布曲线,由图2中可见,经本实施例处理后材料表面的残余压应力最大值和总体层深相较于传统喷丸处理分别提高了40MPa和25μm以上。
参照图3a、3b所示,为不同表面处理工艺后(本实施例表面处理方法和传统的喷丸处理)颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度。由图3a和图3b可见,经本实施例处理后材料表面的粗糙度相较于传统喷丸处理降低了62.3%。由图3b可见,其表面粗糙度(Ra值)降低至1μm以下。
经轴向拉-拉疲劳测试结果表明,当最大加载应力为300MPa,应力比为0.1,加载频率为10Hz时,本实施例中的颗粒增强金属基复合材料的疲劳寿命由传统喷丸处理后的9.4×105提高至3.3×106。
实施例2
为本发明一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法的一优选实施例,该表面处理方法包括以下步骤:
S1:通过600目的研磨介质对原始颗粒增强金属基复合材料进行研磨处理,去除颗粒增强金属基复合材料表面的机加工痕迹。
S2:采用油浴加热方式对研磨后的颗粒增强金属基复合材料进行预热处理,加热温度为150℃,保温时间为45min;可提高后续喷丸处理过程引入表面残余压应力的最大值和总体层深,同时避免表面残余压应力在高温环境下发生应力松弛。
S3:利用气动式喷丸设备对预热后的颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理,弹丸直径为0.2mm,喷射距离为50mm,气体压力为0.5MPa,喷丸时间为90s。
S4:通过5000目的抛光介质对喷丸后的颗粒增强金属基复合材料进行抛光处理,降低颗粒增强金属基复合材料的表面粗糙度;得到经表面处理后的颗粒增强金属基复合材料。
作为对比,选择相同的喷丸处理工艺参数对同样的原始颗粒增强金属基复合材料进行传统喷丸处理。将分别由本实施例表面处理方法、传统的喷丸处理后的颗粒增强金属基复合材料的表面残余压应力和表面粗糙度进行对比,对比结果如下:
参照图4所示,为不同表面处理工艺后颗粒增强金属基复合材料表面残余应力沿层深的分布曲线,由图4中可见,经本实施例处理后材料表面的残余压应力最大值和总体层深相较于传统喷丸处理分别提高了30MPa和25μm以上。
参照图5a、5b所示,为不同表面处理工艺后颗粒增强金属基复合材料的表面轮廓及表面粗糙度。由图5a和图5b可见,经本实施例处理后材料表面的粗糙度相较于传统喷丸处理降低了75.1%。由图5b可见,其表面粗糙度(Ra值)降低至1μm以下。
经轴向拉-拉疲劳测试结果表明,当最大加载应力为300MPa,应力比为0.1,加载频率为10Hz时,本实施例中的颗粒增强金属基复合材料的疲劳寿命由传统喷丸处理后的1.5×106提高至4.7×106。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,包括:
S1:对颗粒增强金属基复合材料进行研磨处理,去除其表面的机加工缺陷;
S2:对经研磨处理后的颗粒增强金属基复合材料进行预热处理,提高后续喷丸处理过程引入表面残余压应力的最大值和总体层深,同时避免表面残余压应力在高温环境下发生应力松弛;
S3:对经预热处理后的颗粒增强金属基复合材料进行喷丸处理;
S4:对经喷丸处理后的颗粒增强金属基复合材料进行抛光处理,降低其表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,在S1中,研磨处理是指对颗粒增强金属基复合材料通过320~1000目的研磨介质进行机械研磨。
3.根据权利要求1所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,在S2中,预热处理采用油浴加热。
4.根据权利要求3所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,油浴加热的加热温度为50~200℃,保温时间为30~60min。
5.根据权利要求1所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,在S3中,喷丸处理采用气动式喷丸。
6.根据权利要求5所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,气动式喷丸的弹丸直径为0.1~0.3mm,喷射距离为50~200mm,气体压力为0.2~0.6MPa,喷丸时间为30~120s。
7.根据权利要求1-6任一项所述的提高颗粒增强金属基复合材料抗疲劳性能的表面处理方法,其特征在于,在S4中,抛光处理是指对颗粒增强金属基复合材料通过2000~5000目的抛光介质进行机械抛光。
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