CN113005374B - 一种淹没水射流材料表面强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种淹没水射流材料表面强化方法，包括：步骤S1：对待加工件进行固溶处理；步骤S2：对固溶处理后的待加工件进行时效处理；步骤S3：对时效处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理。本发明的淹没水射流材料表面强化方法，整体工艺操作简单，先对待加工件进行固溶和时效处理等前处理，然后对前处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理，从而得到较大的表面残余应力和较好的表面质量。

Description

一种淹没水射流材料表面强化方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化领域，更具体地涉及一种淹没水射流材料表面强化方法。
背景技术
铝合金因具有密度低、高的比刚度和比强度，被广泛的应用到飞机机体结构上。如MD-81飞机中铝合金占飞机结构总重的74.5％。我国自行研制的第二代战斗机机体结构中铝合金占80％以上。因此，铝合金的高精密切削加工已经逐渐成为机械制造领域的前沿问题。另一方面，在服役期间，飞机结构会不断经受环境和交变载荷的交互作用而诱发的腐蚀疲劳失效。因此，如何提高航空用铝合金的抗疲劳性能受到了国内外诸多专家学者的研究，并且形成了一定的科学研究成果，一定程度上提高了航空用铝合金的抗疲劳性能。
目前航空用铝合金的主要强化工艺方法主要包括：机械喷丸强化，激光冲击强化，超声滚压强化，时效强化及挤压强化等，也有少量文献对水射流喷丸强化进行了研究，但是上述研究方法中的强化方法虽然能够引入一定的残余压应力，但是强化后的表面质量相对较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种淹没射流材料表面强化方法，以提升材料表面的残余压应力，并改善表面质量。
本发明提供一种淹没射流材料表面强化方法，包括：
步骤S1：对待加工件进行固溶处理；
步骤S2：对固溶处理后的待加工件进行时效处理；
步骤S3：对时效处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理。
进一步地，所述步骤S1中，固溶处理的温度为460-480℃，持续时间为1-2h。
进一步地，固溶处理的温度为464℃。
进一步地，所述步骤S2中的时效处理包括：
S21：先对待加工件进行120-160℃低温时效处理，持续时间为1-2h；
S22：然后再对待加工件进行40-60℃低温时效处理，持续时间为168-536h。
进一步地，所述步骤S3包括：
步骤S31：将待加工件淹没在水池中，控制水池中水的温度为80-100℃，并保持30-50h；
步骤S32：提供一射流强化装置，使射流强化装置的喷嘴一直淹没在水池中并对准待加工件表面；
步骤S33：将60-70℃的高温水经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面；
步骤S34：将水池中的水的温度调整为50-60℃；
步骤S35：将常温水经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面。
进一步地，所述步骤S34中，射流冲击强化的持续时间为30min。
进一步地，所述步骤S3中，水射流的压力为10-50MPa。
进一步地，水射流的压力为35MPa。
进一步地，所述步骤S3中，水射流的射流靶距为10-15mm。
进一步地，所述水射流的射流靶距为12.5mm。
本发明的淹没水射流材料表面强化方法，整体工艺操作简单，先对待加工件进行固溶和时效处理等前处理，然后对前处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理，从而得到较大的表面残余应力和较好的表面质量，其中，双极时效处理的铝合金具有典型的回归特性，在高温环境中宜产生回归，因此可以在较小的射流压力下得到较大的残余压应力。本发明的淹没水射流材料表面强化方法属于机械、力学及材料学的交叉，通过材料的微观组织和水射流强化工艺的协同作用机理，使材料表面强化效果远好于传统的水射流强化工艺。
附图说明
图1为本发明实施例提供的淹没水射流材料表面强化方法的流程图；
图2A-图2C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图；
图3A-图3C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图；
图4A-图4C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌；
图5A-图5C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明实施例提供一种淹没水射流材料表面强化方法，用于对待加工件进行强化，首先对待加工件进行前处理，包括固溶处理和时效处理，然后再对前处理后的待加工件进行淹没水射流强化，从而提高待加工件的表面残余应力。其中，待加工件可以为任意材料制成的构件，在本实施例中，待加工件为铝合金。
如图1所示，本发明的淹没射流材料表面强化方法包括：
步骤S1：对待加工件进行固溶处理。
其中，固溶处理的温度为460-480℃，持续时间为1-2h。460-480℃的固溶温度可以使铝合金的亚温度相更容易发生回归现象，最优温度为464℃，且该温度与后面的时效处理温度匹配性最好，本发明所采用的固溶处理为常规技术，在此不再赘述。
步骤S2：对固溶处理后的待加工件进行时效处理。
具体的，时效处理包括：
S21：先对待加工件进行120-160℃低温时效处理，持续时间为1-2h；
S22：然后再对待加工件进行40-60℃低温时效处理，持续时间为168-536h。
该步骤中的时效温度与时间与步骤S1中的固溶温度匹配性最好，效果最好。
本案所采用的时效处理为常规技术，在此不再赘述。
步骤S3：对时效处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理。
步骤S3进一步包括：
步骤S31：将待加工件淹没在水池中，控制水池中水的温度为80-100℃，并保持30-50h，优选为48h；
步骤S32：提供一射流强化装置，使射流强化装置的喷嘴一直淹没在水池中并对准待加工件表面；
步骤S33：将60-70℃的高温水经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面；
步骤S34：将水池中的水的温度调整为50-60℃；
步骤S35：将常温水(20℃左右)经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面。
淹没水射流强化可采用现有的射流强化装置完成。水射流压力范围为10-50MPa，优选为35MPa，水射流靶距范围为10-15mm，优选为12.5mm。
水池中安装有温度传感器和加热器，通过温度传感器实现反馈水池中的水温，通过加热器对水进行加热，从而使水池中的水一直保持在需要的温度。
本发明实施例提供的淹没水射流材料表面强化方法，整体工艺操作简单，先对待加工件进行固溶和时效处理等前处理，然后对前处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理，从而得到较大的表面残余应力和较好的表面质量，其中，双极时效处理的铝合金具有典型的回归特性，在高温环境中宜产生回归，因此可以在较小的射流压力下得到较大的残余压应力。本发明的淹没水射流材料表面强化方法属于机械、力学及材料学的交叉，通过材料的微观组织和水射流强化工艺的协同作用机理，使材料表面强化效果远好于传统的水射流强化工艺。
下面将以7075铝合金为研究对象，采用本发明的淹没水射流材料表面强化方法对其进行强化，根据不同的射流参数，制定多组淹没水射流强化实验方案，如表1所示。为了证明本发明的效果，选择非淹没水射流的强化结果作为对照组，在每一个方案中，对照组的射流参数均与本发明相同。
表1水射流强化实验方案
Figure BDA0002940828010000051
图2A-图2C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图，图3A-图3C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图，从图中可以看出，任何一种方案中，本发明的残余压应力值和残余压应力层深均远大于对照组。例如，如图2A和3A所示，本发明的残余压应力值约为-90MPa，对照组中的残余压应力值约为-32.5MPa，本发明的残余压应力值远大于对照组，且残余压应力的层深也远大于对照组，说明本发明的淹没水射流材料表面强化方法具有极为明显的强化效果。
图4A-图4C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌，图5A-图5C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌，从图中可以看出，相同射流参数下，本发明的表面形貌平整度远高于对照组，说明本发明的方法在提高表面残余压应力的基础上，还可以一定程度的提高表面质量。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对待加工件进行固溶处理，固溶处理的温度为460-480℃，持续时间为1-2h；
步骤S2：对固溶处理后的待加工件进行时效处理；所述步骤S2包括：
S21：先对待加工件进行120-160℃低温时效处理，持续时间为1-2h；
S22：然后再对待加工件进行40-60℃低温时效处理，持续时间为168-536h；
步骤S3：对时效处理后的待加工件进行淹没水射流强化处理，所述步骤S3包括：
步骤S31：将待加工件淹没在水池中，控制水池中水的温度为80-100℃，并保持30-50h；
步骤S32：提供一射流强化装置，使射流强化装置的喷嘴一直淹没在水池中并对准待加工件表面；
步骤S33：将60-70℃的高温水经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面；
步骤S34：将水池中的水的温度调整为50-60℃；
步骤S35：将常温水经过高压泵输送至喷嘴，并通过喷嘴射出后冲击强化待加工件表面；
所述待加工件为铝合金。
2.根据权利要求1所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，固溶处理的温度为464℃。
3.根据权利要求1所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，所述步骤S34中，射流冲击强化的持续时间为30min。
4.根据权利要求1所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，所述步骤S3中，水射流的压力为10-50MPa。
5.根据权利要求4所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，水射流的压力为35MPa。
6.根据权利要求1所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，所述步骤S3中，水射流的射流靶距为10-15mm。
7.根据权利要求6所述的淹没水射流材料表面强化方法，其特征在于，所述水射流的射流靶距为12.5mm。
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