CN111136588A - 一种提高铝基复合材料表面质量的方法 - Google Patents

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刘彦强
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Abstract

本发明涉及一种提高铝基复合材料表面质量的方法，属于金属表面处理技术领域。首先，采用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行干法喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤和微裂纹；然后，对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂残留划痕；最后，采用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层。铝基复合材料零部件经过该方法处理后，可以显著提高材料的抗疲劳性能和耐磨性能等机械性能。

Description

一种提高铝基复合材料表面质量的方法
技术领域
本发明涉及一种表面处理方法，特别是一种提高铝基复合材料表面质量的方法，属于金属表面处理技术领域。
背景技术
铝基复合材料具有密度低、比强度高、比刚度高、抗疲劳性能好、耐磨损等优良性能，作为一种轻量化结构材料已经广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。
喷丸强化是一种能够显著提高产品抗疲劳性能和耐磨性能的重要工艺方法，它可以在金属表面形成一残余压应力层，能够防止和延缓疲劳裂纹的萌生和扩展，提高零部件的疲劳寿命、耐磨性能以及耐腐蚀性能。该工艺在众多领域中已经得到广泛认可和使用。
对于航空航天用关键承载结构件，零部件的表面质量是影响产品疲劳寿命的关键因素之一。在零部件塑性成形过程中，经常会在表面引入一些小缺陷，比如锻件表面残留的润滑剂及其聚集形成的微坑、挤压型材表面的划伤或微裂纹等。但由于铝基复合材料的布氏硬度比基体铝合金提高30％以上，通过常规单一的喷丸处理无法完全清除上述微小缺陷，甚至会把一些杂质压进锻件或挤压型材表层，为疲劳裂纹的萌生提供优越条件，零部件的疲劳寿命会随之降低。因此，获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高铝基复合材料表面质量的方法，该表面处理方法成本低、生产效率高，可以显著提高材料的抗疲劳性能和耐磨性能等。
一种提高铝基复合材料表面质量的方法，包括下述步骤：
(1)采用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行干法喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤和微裂纹等缺陷；
(2)对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂残留划痕；
(3)采用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层。
对于航空航天关键承载结构件而言，零部件表面质量好坏会直接影响其疲劳寿命，表面质量好、存在压应力强化层则其疲劳寿命较长，所以获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。
本发明中，首先对铝基复合材料零部件进行干法喷砂处理，利用高速砂子较好的切削能力来清理在塑性成形阶段引入表面的润滑剂、划伤、微裂纹等缺陷。喷砂处理中，喷砂设备选用吸入式干法喷砂机，该设备对表面缺陷清除效果高效；砂子粒径为70～200μm，喷射距离为10～20cm，气体压力为0.5～0.8MPa。
然后，对零部件进行研磨处理，去除干喷砂在材料表面残留的划痕，获得一个平滑的表面。研磨磨料选用棕刚玉，磨料形状为球形，磨料直径为5～10mm，研磨时间1～3h。
最后，使用湿式喷丸机对零部件进行喷丸处理，产生一个压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为100～250μm，喷射距离为10～20cm，气体压力为0.5～0.8MPa。
本发明中，铝基复合材料零部件包括铝基复合材料的铸件、模锻件和挤压型材等。
本发明的提高铝基复合材料表面质量方法的优点为：该方法成本低、生产效率高、可获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层，具有强化层更加洁净、成本低及生产效率高的特点，可以显著提高材料的抗疲劳性能和耐磨性能等。
下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是提高铝基复合材料零部件表面质量的表面处理工艺流程简图。
图2(a)是20vol.％SiCp/2024Al复合材料挤压型材喷砂后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大200倍)。
图2(b)是20vol.％SiCp/2024Al复合材料挤压型材研磨后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大200倍)。
图2(c)是20vol.％SiCp/2024Al复合材料挤压型材喷丸后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大200倍)。
具体实施方式
如图1所示，为本发明铝基复合材料零部件的表面处理工艺流程简图，包括对零部件进行干喷砂处理、研磨处理和喷丸处理三个步骤。首先对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，使用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，利用砂子较好的切削能力来清理表面润滑剂、划伤或折叠等缺陷；然后进行研磨处理，去除表面较深的喷砂划痕，获得平滑的表面；最后进行喷丸处理，使用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，使材料表面产生一个洁净的压应力层，从而显著提高材料的抗疲劳性能和耐磨性能等机械性能。本发明的表面强化方法可广泛应用于：铝基复合材料的铸件、模锻件和挤压型材等。
实施例1：
本实施例的实验材料为15vol.％SiCp/2009Al复合材料挤压型材。具体实施方法：第一步，使用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤等缺陷，砂子粒径为200μm，喷射距离为10cm，气体压力0.8MPa；第二步，对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂痕迹，研磨磨料选用棕刚玉，磨料形状为球形，磨料直径为5mm，研磨时间1h；第三步，使用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为250μm，喷射距离为10cm，气体压力0.8MPa。经测试，喷丸前型材硬度为165HB，喷丸后为180HB，提高了约9％。旋转弯曲疲劳测试表明(kt＝1，R＝-1)，加载应力为350MPa时，材料的循环周次由喷丸前的5×104提高至2×105。
实施例2：
本实施例的实验材料为20vol.％SiCp/2024Al复合材料挤压型材。具体实施方法：第一步，使用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤等缺陷，砂子粒径为70μm，喷射距离为20cm，气体压力0.6MPa；第二步，对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂痕迹，研磨磨料选用棕刚玉，磨料形状为球形，磨料直径为8mm，研磨时间2h；第三步，使用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为100μm，喷射距离为20cm，气体压力0.6MPa。
图2(a)至图2(c)为20vol.％SiCp/2024Al复合材料挤压型材经过喷砂处理后材料表面微观组织。经过干喷砂处理后，如图2(a)所示，材料原始表面的润滑剂、划伤等缺陷得到了很好的清除，但在材料表面残留了大量的深划痕。经过研磨后，如图2(b)所示，喷砂残留的划痕被清理干净，材料表面光滑、微观平整。经过喷丸处理后，如图2(c)所示，在型材表面产生形成一层均匀的丸坑。经测试，喷丸前型材硬度为190HB，喷丸后为205HB，提高了约8％。旋转弯曲疲劳测试表明(kt＝1，R＝-1)，加载应力为290MPa时，材料的循环周次由喷丸前的6×105提高至4×106。
实施例3：
本实施例的实验材料为30vol.％SiCp/6092Al复合材料锻件。具体实施方法：第一步，使用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤等缺陷，砂子粒径为100μm，喷射距离为15cm，气体压力0.5MPa；第二步，对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂痕迹，研磨磨料选用棕刚玉，磨料形状为球形，磨料直径为10mm，研磨时间3h；第三步，使用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为200μm，喷射距离为15cm，气体压力0.5MPa。经测试，喷丸前锻件硬度为210HB，喷丸后为225HB，提高了约9％。旋转弯曲疲劳测试表明(kt＝1，R＝-1)，加载应力为380MPa时，材料的循环周次由喷丸前的2×104提高至3×105。
由以上实施例可以看到，本发明首先使用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤、微裂纹等缺陷；其次，对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂划痕；最后，使用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层；铝基复合材料零部件经过该方法处理后，材料的抗疲劳性能和耐磨性能等机械性能得到了显著提高。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种提高铝基复合材料表面质量的方法，包括下述步骤：
(1)采用吸入式干法喷砂机对铝基复合材料零部件进行干法喷砂处理，清理表面润滑剂、划伤和微裂纹；
(2)对铝基复合材料零部件进行研磨处理，去除表面喷砂残留划痕；
(3)采用湿式喷丸机对铝基复合材料零部件进行喷丸处理，形成压应力层。
2.根据权利要求1所述的提高铝基复合材料表面质量的方法，其特征在于：在干法喷砂处理中，砂子粒径为70～200μm，喷射距离为10～20cm，气体压力为0.5～0.8MPa。
3.根据权利要求1所述的提高铝基复合材料表面质量的方法，其特征在于：在研磨处理中，研磨磨料采用棕刚玉，磨料形状为球形，磨料直径为5～10mm，研磨时间1～3h。
4.根据权利要求1所述的提高铝基复合材料表面质量的方法，其特征在于：在喷丸处理中，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为100～250μm，喷射距离为10～20cm，气体压力为0.5～0.8MPa。
5.根据权利要求1所述的提高铝基复合材料表面质量的方法，其特征在于：所述的铝基复合材料零部件包括铝基复合材料的铸件、模锻件和挤压型材。
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