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Abstract

本发明涉及一种梯度硬化钛合金的制备方法，属于梯度硬化材料技术领域。将钢动量块和清洁的钛合金板自下而上依次放入带有通孔的钢底座中，通孔横截面尺寸与钢动量块和钛合金的截面尺寸相匹配，通孔的高度与钢动量块和钛合金的总厚度相匹配；在钢底座的上表面边缘固定炸药框，炸药框内放置压制成板状结构的爆速在7000m/s以上的高爆速炸药，在炸药上表面的一端起爆对钛合金进行冲击处理，得到一种梯度硬化钛合金。所述方法可有效避免高爆速炸药冲击处理过程中因“边界效应”导致的材料破坏，进而通过冲击处理实现钛合金上表面的梯度硬化。

Description

一种梯度硬化钛合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度硬化钛合金的制备方法，属于梯度硬化材料技术领域。
背景技术
梯度材料是指结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料。梯度材料在航空航天、机械、电磁、生物、核能及电气工程等领域具有广泛的应用，如应用于航空航天发动机，机械工程中轴承，电磁工程中磁盘、振荡器，生物工程中牙齿、骨头、关节，核能及电气工程中热电变换器等设备。钛合金是目前使用的材料中比强度最高的材料之一，钛合金具有比强度高、耐蚀性和耐热性好等特点，在航空、航天、石油、化工、船舶等领域有广泛的应用。但是由于钛合金的硬度较低、摩擦系数大、耐磨性差，一定程度上影响了其使用寿命和应用范围。采用合适的表面硬化技术，在不降低基体力学性能的前提下，提高钛合金材料的表面硬度，是提高其表面耐磨性和使用寿命的有效途径，可以扩大高强钛合金的应用范围。
目前，制备梯度硬化钛合金的方法通常是在钛合金的表面制备硬度梯度变化的复合膜层结构，上述方法工艺繁琐、设备成本高、工艺不稳定、利用率低、废品率高等，限制了梯度硬化钛合金的发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种梯度硬化钛合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种梯度硬化钛合金的制备方法，所述方法步骤包括：
将钢动量块和清洁的钛合金板自下而上依次放入带有通孔的钢底座中，通孔横截面尺寸与钢动量块和钛合金的截面尺寸相匹配，通孔的高度与钢动量块和钛合金的总厚度相匹配；在钢底座的上表面边缘固定炸药框，炸药框内放置压制成板状结构的爆速在7000m/s以上的高爆速炸药，在炸药上表面的一端起爆对钛合金进行冲击处理，得到一种梯度硬化钛合金。
优选的，所述冲击处理进行2次～3次。
优选的，所述钛合金厚度、钢动量块厚度、高爆速炸药厚度、钢底座上靠近炸药起爆位置的一侧与钛合金之间的水平距离、钢底座上远离炸药起爆位置的一侧与钛合金之间的水平距离的比值为10～50:5～10:3～5:50～80:10～20。
优选的，钛合金的上下表面均涂抹黄油，其中，上表面为起爆面，下表面为钛合金与钢动量块的接触面。更优选的黄油的涂抹厚度为0.5mm～1mm。钛合金的下表面涂抹黄油可防止钛合金与钢动量块之间的空气隙影响钢动量块的卸压效果；钛合金的上表面涂抹黄油可防止炸药起爆后的爆轰能对钛合金表面的灼伤。
优选的，所述钢底座和钢动量块的材质分别为45#钢或不锈钢。
优选的，所述炸药框的材质为有机玻璃。
优选的，所述高爆速炸药为可铸粉状炸药、塑性板状炸药或橡胶板状炸药。更优选的，所述高爆速炸药为C4炸药。
优选的，炸药起爆前将炸药与钢底座固定在一起。
有益效果
本发明提供了一种与现有技术构思不同的钛合金硬化处理方法，所述方法通过将钛合金放入特定结构的钢底座中，可有效避免高爆速炸药冲击处理过程中因“边界效应”导致的材料破坏；通过对钛合金进行特定爆速的冲击处理，使钛合金在硬化过程中发生α到ω的相变，进而实现钛合金上表面的梯度硬化。
进一步的，本发明通过对钛合金进行2-3次冲击处理，可进一步提高ω的相变含量，进而提高其硬度。
进一步的，本发明通过对钛合金、钢动量块和钢底座的尺寸进行控制，可使梯度硬化的钛合金具有更好的样品完整性和硬化均匀性。
本发明所述方法成本低廉、工艺稳定性好、可控性好、制备效率高且废品率低；对于梯度硬化材料的开发和应用具有重要的理论意义和实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中爆炸冲击处理所用装置的结构主视图。
其中，1-雷管，2-钢底座，3-炸药框，4-钛合金，5-钢动量块。
图2为实施例1中所述梯度硬化的钛合金的维氏硬度分布图。
图3为实施例2中所述梯度硬化的钛合金的维氏硬度分布图。
图4为实施例1和2中所述梯度硬化的钛合金的X-射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例中：
(1)爆炸冲击处理时所用的装置结构如图1所示，钢底座2为长方体结构，钢底座2上开有通孔，钢动量块5放置在通孔底部，钛合金4放置在钢动量块5上，炸药框3放置在钢底座2的上表面，炸药框3中放置压制后的高爆速炸药，高爆速炸药上表面的一端插入雷管1，并用胶带固定，雷管1与起爆器连接。其中，钢底座的通孔横截面尺寸与钢动量块和钛合金的截面尺寸相匹配，通孔的高度与钢动量块和钛合金的总厚度相匹配。
钢底座2的材质为45#钢，通孔尺寸为200mm×150mm×15mm，钢底座2靠近炸药起爆位置的一侧与钛合金4之间的水平距离为80mm，钢底座2上远离炸药起爆位置的一侧与钛合金4之间的水平距离为20mm。
钛合金4采用TA2钛合金板，尺寸为200mm×150mm×10mm。
钢动量块5的材质为45#钢，尺寸为200mm×150mm×5mm。
(2)高爆速炸药采用C4炸药。
(3)硬度测试：采用型号为FM-700的显微维氏硬度计，测试条件为：压力2.4N，保压时间为15s。
实施例1
一种梯度硬化钛合金的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一、用手持式电动砂轮对钛合金表面进行打磨以去除氧化层，并用无水乙醇清洗表面去除油脂，得到清洁后的钛合金；
步骤二、将钢底座放置在预先铺制好的沙堆上，将钢动量块和钛合金自下而上依次放入钢底座的通孔中，保证钢底座的底面与动量块的底面平齐，两者接触面上涂抹黄油，厚度为0.5mm；
步骤三、在钛合金预爆表面均匀的抹一层黄油，厚度为0.5mm，随后将炸药框固定在钢底座上表面边缘。
步骤四、将压制成板状的C4炸药放入炸药框中，炸药厚度为5mm，爆速为7746m/s；
步骤五、将雷管插入炸药上表面的一端并用胶带将雷管固定在炸药上，并将炸药与所述钢底座包裹压实；
步骤六、雷管与起爆器连接，起爆，对钛合金进行冲击处理，得到一种梯度硬化钛合金。
所述梯度硬化钛合金的维氏硬度分布如图2所示，所述梯度硬化钛合金的硬度从上表面沿厚度方向呈梯度分布，一次硬化后钛合金的最大硬度为280Hv，相较与钛合金的初始硬度，一次硬化后钛合金的最大硬度增加了54.3％，硬化深度为2.5mm。
所述梯度硬化的钛合金的X-射线衍射(XRD)测试如图4所示，结果表明，钛合金硬化过程中发生了α到ω的相变，相变的发生导致了钛合金硬度的增加。
实施例2
本实施例中冲击处理进行两次，其余同实施例1。
所述梯度硬化钛合金的维氏硬度分布如图3所示，二次硬化后最大硬度提高到了300Hv，在0-1mm深度范围内，二次硬化后钛合金的最大硬度相较钛合金的初始硬度提高了71％，二次硬化深度约为3.5mm。
所述梯度硬化的钛合金的XRD测试如图4所示，结果表明，钛合金硬化过程中发生了α到ω的相变，且二次硬化后ω的相变含量更高，进而导致钛合金的硬度进一步增加。
实施例3
一种梯度硬化钛合金的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一、用手持式电动砂轮对钛合金表面进行打磨以去除氧化层，并用无水乙醇清洗表面去除油脂，得到清洁后的钛合金；
步骤二、将钢底座放置在预先铺制好的沙堆上，将钢动量块和钛合金自下而上依次放入钢底座的通孔中，保证钢底座的底面与动量块的底面平齐，两者接触面上涂抹黄油，厚度为0.5mm；
步骤三、在钛合金预爆表面均匀的抹一层黄油，厚度为0.5mm，随后将炸药框固定在钢底座上表面边缘。
步骤四、将压制好的C4炸药放入炸药框中，炸药厚度为3mm，爆速为7746m/s；
步骤五、将雷管插入炸药上表面的一端并用胶带将雷管固定在炸药上，并将炸药与所述钢底座包裹压实；
步骤六、雷管与起爆器连接，起爆，对钛合金进行冲击处理，得到一种梯度硬化钛合金。
所述梯度硬化钛合金的维氏硬度分布结果表明，所述梯度硬化钛合金的硬度从上表面沿厚度方向呈梯度分布。
所述梯度硬化的钛合金的XRD测试结果表明，钛合金硬化过程中发生了α到ω的相变。
实施例4
本实施例中，炸药爆速为7300m/s，其余同实施例3。
所述梯度硬化钛合金的维氏硬度分布结果表明，所述梯度硬化钛合金的硬度从上表面沿厚度方向呈梯度分布。
所述梯度硬化的钛合金的XRD测试结果表明，钛合金硬化过程中发生了α到ω的相变。
实施例5
本实施例中，炸药爆速为7000m/s，其余同实施例3。
所述梯度硬化钛合金的维氏硬度分布结果表明，所述梯度硬化钛合金的硬度从上表面沿厚度方向呈梯度分布。
所述梯度硬化的钛合金的XRD测试结果表明，钛合金硬化过程中发生了α到ω的相变。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述方法步骤包括：
将钢动量块和清洁的钛合金板自下而上依次放入带有通孔的钢底座中，通孔横截面尺寸与钢动量块和钛合金的截面尺寸相匹配，通孔的高度与钢动量块和钛合金的总厚度相匹配；在钢底座的上表面边缘固定炸药框，炸药框内放置压制成板状结构的爆速在7000m/s以上的高爆速炸药，在炸药上表面的一端起爆对钛合金进行冲击处理，得到一种梯度硬化钛合金。
2.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述冲击处理进行2次～3次。
3.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述钛合金厚度、钢动量块厚度、高爆速炸药厚度、钢底座上靠近炸药起爆位置的一侧与钛合金之间的水平距离、钢底座上远离炸药起爆位置的一侧与钛合金之间距离的比值为10～50:5～10:3～5:50～80:10～20。
4.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述钛合金的起爆面、钛合金与钢动量块的接触面均涂抹黄油。
5.如权利要求4所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：黄油的涂抹厚度为0.5mm～1mm。
6.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述钢底座和钢动量块的材质分别为45#钢或不锈钢；所述炸药框的材质为有机玻璃。
7.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述高爆速炸药为可铸粉状炸药、塑性板状炸药或橡胶板状炸药。
8.如权利要求1或7所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述高爆速炸药为C4炸药。
9.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：炸药起爆前将炸药与钢底座固定在一起。
10.如权利要求1所述的一种梯度硬化钛合金的制备方法，其特征在于：所述冲击处理进行2次～3次；
所述钛合金厚度、钢动量块厚度、高爆速炸药厚度、钢底座上靠近炸药起爆位置的一侧与钛合金之间的水平距离、钢底座上远离炸药起爆位置的一侧与钛合金之间距离的比值为10～50:5～10:3～5:50～80:10～20；
所述钛合金的起爆面、钛合金与钢动量块的接触面均涂抹黄油，黄油的涂抹厚度为0.5mm～1mm；
所述钢底座和钢动量块的材质分别为45#钢或不锈钢；
所述炸药框的材质为有机玻璃；
所述高爆速炸药为C4炸药；
炸药起爆前将炸药与钢底座固定在一起。
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Khanzadeh Gharah Shiran et al. Investigation of Standoff Distance Effect on Corrosion Behavior of Explosively Welded Joint between Two Aluminum Plates and Steel

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