CN115232957B - 一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法，具体工艺步骤如下：(1)、将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温；(2)、通过超声探头施加垂直于高温合金的紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理；(3)、振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。本发明工艺简便，操作简单，通过该技术方案，可明显对镍基高温合金进行表面强化，强化后的合金表面粗糙度较低，并提高表面硬度。
Description
技术领域
本发明属于表面强化和镍基高温合金技术领域，尤其涉及一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法。
背景技术
由于镍基高温合金通常于较为恶劣的环境下服役，这对其性能有着较高的要求，通常合金表面在环境中时常因磨损而产生表面缺陷，进而影响合金的力学性能，导致过早的失效，因此对其表面进行形变强化，改善合金表面即亚表层形态、组织结构，以提高其综合性能是行之有效的手段。
当前用于合金表面形变强化的手段主要有表面喷丸方法，如专利CN201811033962.1中通过喷丸强化及多道次退火复合工艺对GH80A高温合金进行表面强化，专利CN201910367197.5发明了一种湿喷丸工艺对镍基高温合金进行表面改性的技术，通过该技术可对合金表面进行有效的强化，但是经表面处理后的合金表面粗糙度往往不低，并且丸粒很难重复利用，成本较高，能源消耗较大。
基于此，开发低成本，高效率，且保证改性后的合金表面粗糙度的表面强化技术，以改善镍基高温合金综合性能有着重大的意义。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦方法，从而对合金表面改性，提高合金性能。对此，本发明采用的技术方案为：
一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦方法，其包括：
步骤S1，将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，并使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温；
步骤S2，通过超声探头施加垂直于高温合金的紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理；
步骤S3，振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S1中，高温合金块的接触面保持干燥、洁净，感应线圈加热温度在500-750℃；保温时间在50-70min。选取此温度的原因在于温度过高易导致合金中γ′的部分固溶从而影响合金基体性能，温度过低则不利于超声摩擦，同时给予充分的保温时间使待超声摩擦的合金受温均匀。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S2中，施加应力在2-5MPa，超声波为横波，超声波振幅为50-60μm，超声输入能量在1500-2000J，单次超声震动时间为5-10s，超声振动次数至少为3次。选取此施加应力的原因在于应力过大易导致合金摩擦后表面粗糙度较高，进而影响合金服役寿命，应力过低则不利于超声摩擦，选取此范围的振幅和超声能量亦是基于此考虑。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S3中，超声摩擦后的高温合金可在空气或者真空中自然冷却。
其中，高温合金为镍基高温合金，其主要成分包括Ni-Cr-Co-Al-Ti-W-Mo-Ta-Nb等元素，垂直厚度为0～50mm，优选10-30mm。
作为本发明的一种优选技术方案，镍基高温合金选自：
| 1 | Ni-12.5Cr-19Co-2.8Al-3.7Ti-3.9W-4.1Mo-1Ta-1.2Nb-0.18Hf-0.02B-0.04C |
| 2 | Ni-13.5Cr-20Co-3.2Al-3.7Ti-3.7W-4.2Mo-0.9Ta-1.2Nb-0.21Hf-0.03B-0.04C |
| 3 | Ni-13.5Cr-18.5Co-3.5Al-3.5Ti-4W-4.1Mo-1.1Ta-1.2Nb-0.23Hf-0.04B-0.03C |
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
本发明工艺简便，操作简单，通过该技术方案，可明显对镍基高温合金进行表面强化，强化后的合金表面粗糙度较低，并提高表面硬度。
附图说明
图1为本发明的一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦装置示意图，其中：1-支撑台，2-感应加热线圈，3-待表面镍基高温合金，4-超声压头，5-镍基高温合金改性面。
图2为实施案例1中表面强化后的合金变形层微观组织金相图，可以发现，经本发明强化后的合金表面存在一定厚度的变形层。
图3为实施案例1中强化后的合金自表面至合金内部垂直方向的硬度梯度分布，可以表明，强化后的表面硬度值提高了近10％。
图4为实施案例2中表面强化后的合金变形层微观组织金相图，可以发现，经本发明强化后的合金表面存在一定厚度的变形层。
图5为实施案例2中强化后的合金自表面至合金内部垂直方向的硬度梯度分布，可以表明，强化后的表面硬度值提高了近10％。
图6为实施案例3中表面强化后的合金变形层微观组织金相图，可以发现，经本发明强化后的合金表面存在一定厚度的变形层。
图7为实施案例3中强化后的合金自表面至合金内部垂直方向的硬度梯度分布，可以表明，强化后的表面硬度值提高了近10％。
具体实施案例
为了让本发明的思想，特征和优点更加显而易懂，下面结合附图及车削步骤对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施案例1
参照图1所示，一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦方法，其包括：
步骤S1，将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，并使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温。高温合金的成分为Ni-12.5Cr-19Co-2.8Al-3.7Ti-3.9W-4.1Mo-1Ta-1.2Nb-0.18Hf-0.02B-0.04C，合金垂直厚度为10mm。
步骤S2，通过超声探头施加垂直于高温合金的紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理。
步骤S3，振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。
其中：步骤S1中，高温合金块的接触面保持干燥、洁净，感应线圈加热温度在700℃。保温时间在60min。
步骤S2中，施加应力在4MPa，超声波为横波，超声波振幅为60μm，超声输入能量在1800J，单次超声震动时间为8s，超声振动次数为5次。
步骤S3中，超声摩擦后的高温合金可在空气或者真空中自然冷却。
其中，表面强化后的合金变形层和硬度结果如图2和图3所示。
实施案例2
参照图1所示，一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦方法，其包括：
步骤S1，将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，并使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温；高温合金的成分为Ni-13.5Cr-20Co-3.2Al-3.7Ti-3.7W-4.2Mo-0.9Ta-1.2Nb-0.21Hf-0.03B-0.04C，合金垂直厚度为30mm。
步骤S2，通过超声探头施加垂直于高温合金的紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理。
步骤S3，振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。
其中：步骤S1中，高温合金块的接触面保持干燥、洁净，感应线圈加热温度在600℃。保温时间在50min。
步骤S2中，施加应力在4MPa，超声波为横波，超声波振幅为55μm，超声输入能量在1600J，单次超声震动时间为8s，超声振动次数为3次。
步骤S3中，超声摩擦后的高温合金可在空气或者真空中自然冷却。
其中，表面强化后的合金变形层和硬度结果如图4和图5所示。
实施案例3
参照图1所示，一种用于高温合金表面形变强化的超声振动摩擦方法，其包括：
步骤S1，将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，并使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温；高温合金的成分为Ni-13.5Cr-18.5Co-3.5Al-3.5Ti-4W-4.1Mo-1.1Ta-1.2Nb-0.23Hf-0.04B-0.03C，合金垂直厚度为20mm。
步骤S2，通过超声探头施加垂直于高温合金的紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理.
步骤S3，振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。
其中：步骤S1中，高温合金块的接触面保持干燥、洁净，感应线圈加热温度在750℃。保温时间在70min。
步骤S2中，施加应力在5MPa，超声波为横波，超声波振幅为60μm，超声输入能量在2000J，单次超声震动时间为9s，超声振动次数为6次。
步骤S3中，超声摩擦后的高温合金可在空气或者真空中自然冷却。
其中，表面强化后的合金变形层和硬度结果如图6和图7所示。
表1为三个实施案例中强化后的合金表面粗糙度，可以表明，强化后的合金表面粗糙度较低。
表1
| 实施案例 | 表面粗糙度 |
| 1 | Ra0.43 |
| 2 | Ra0.39 |
| 3 | Ra0.47 |
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法，其特征在于：
所述高温合金为镍基高温合金，
步骤S1，将两块待表面强化的高温合金分别通过夹头固定在超声振动设备上，并使两高温合金块紧密接触，并在高温合金固定区外加感应加热线圈，进行加热并保温，感应线圈加热温度在500-750℃，保温时间在50-70min；
步骤S2，通过超声压头施加垂直于高温合金紧密接触面上的力和超声波，于高温下对高温合金进行振动摩擦处理，其中：超声压头与高温合金直接接触，施加应力在2-5MPa，超声波为横波，超声波振幅为50-60μm，超声输入能量在1500-2000J，单次超声震动时间为5-10s，超声振动次数至少为3次；
步骤S3，振动摩擦后撤出施加的应力与超声波，随后停止感应加热，让被振动摩擦后的高温合金自然冷却。
2.根据权利要求1所述的一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法，其特征在于：步骤S1中，高温合金块的接触面保持干燥、干净，感应线圈加热温度在500-750℃，保温时间在50-70min。
3.根据权利要求1所述的一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法，其特征在于：步骤S3中，超声摩擦后的高温合金可在空气或者真空中自然冷却。
4.根据权利要求1所述的一种采用超声振动摩擦使高温合金表面形变强化的方法，其特征在于：镍基高温合金的主要成分包括Ni-Cr-Co-Al-Ti-W-Mo-Ta-Nb元素，垂直厚度为0～50mm。
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