CN116695043A - 一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，包括：采用超声振动或机械振动的方式对钛合金及其构件进行振动预处理；施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金及其构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值相比改性前降低幅度达到预设幅度，或直至构件的当前导热系数相比改性前增加幅度达到预设幅度。本发明提出的提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，将振动预处理与电磁冲击处理有机结合，可使电磁场能量与叶片基体不同稳定状态微区相组织进行能量耦合，驱动高能不稳定微区原子运动，以实现随机损伤靶向修复、内应力状态调控，使构件整体组织状态均匀化稳定化，达到提高钛合金及其构件应力疲劳性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料性能提升技术领域，尤其涉及一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法。
背景技术
钛合金广泛应用于航空、航天领域，通常被用于制造机翼、轴类、机身等重要部位。钛合金构件由于应力疲劳而产生的过早失效直接影响飞机和发动机的可靠性和使用寿命，是制造工程科学领域的重点和难点。锻造成形、热处理、喷丸强化是钛合金叶片成形制造关键工序，对钛合金叶片的组织性能有着重要影响。在成形制造过程中，这些关键工序不仅使叶片获得宏观几何形状，而且形成了叶片的微观组织状态，直接决定了叶片的工作性能和使用寿命。叶片成形过程中，由于温度、应力、应变、摩擦等工艺条件波动和分布不均匀，导致了形变与相变的不均匀，使得随机微区损伤(应变硬化、位错塞积、应力集中、晶界微裂纹等)不可避免，这种随机损伤在叶片循环应力加载作用下，容易成为失效裂纹源，严重危害叶片疲劳性能和服役寿命。迫切需要开发一种能够修复钛合金成形制造随机损伤、提升钛合金疲劳性能的创新技术方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，旨在提升钛合金构件的疲劳性能。
为实现上述目的，本发明提供一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，包括以下步骤：
采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理；
施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前变化幅度达到预设幅度。
优选地，所述采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理的步骤中，当钛合金构件表面温度增加到0.005Tm～0.01Tm时，停止施加超声振动或机械振动，其中Tm为钛合金构件的熔点。
优选地，所述采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理的步骤中，超声振动频率fu和机械振动频率fm根据钛合金构件的共振频率fr确定，超声振动频率fu＝(80～500)fr；机械振动频率fm＝(0.06～0.2)fr，机械振动的应力为σ＝(15％～20％)σf，σf为所处理钛合金疲劳极限。
优选地，所述施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理的步骤中，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，交峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为钛合金的比热容、密度和电阻率；所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr，磁场感应强度H＝300IH/L，其中，励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A，L为有限励磁长度。
优选地，采用交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理时，分多次进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度。
优选地，所述施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度的步骤具体包括：
施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，并测量钛合金构件表面温度；
当钛合金构件表面温度增加到第一预设温度时，暂停改性处理，测量钛合金构件的当前电阻值/导热系数；
判断钛合金构件的当前电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度是否达到预设幅度，或者当前导热系数相比改性前的原导热系数增加幅度是否达到预设幅度；
当钛合金构件的当前电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度达到到预设幅度时，或者当前导热系数相比改性前的原导热系数增加幅度达到预设幅度，停止改性处理；
当钛合金构件的当前电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度未达到到预设幅度时，或者当前导热系数相比改性前的原导热系数增加幅度未达到预设幅度，继续施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场改性直至达到预设时长，预设时长到达后，继续测量钛合金构件的当前电阻值/导热系数，并继续执行施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，并测量钛合金构件表面温度的步骤，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度时停止。
优选地，所述电阻下降预设幅度为原电阻值的3％～5％，导热系数增加幅度为原导热系数的5％～10％。
优选地，所述第一预设温度为0.005Tm～0.01Tm。
本发明提出的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法：通过超声振动或机械振动预处理，激活成形加工制造过程中内应力较大区域和微区损伤缺陷(位错塞积、应力集中、界面、微纳尺度孔洞及微裂纹等)区域原子间的互作用，从而为后续的电磁冲击处理改性作准备。同时，采用的振动频率根据构件的共振疲劳来确定，在所设定振动频率区间内，能够起到最佳的构件整体应力均匀化作用。在此预处理基础上，对钛合金及其构件直接施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场进行改性，控制交变电场、交变磁场或交变电磁复合场作用所产生的电磁脉冲能量参数，对已经激活的微区损伤缺陷进行进一步靶向调控，驱动高能不稳定微区原子运动，使构件整体组织状态稳定化均匀化。将振动预处理与电磁冲击处理相结合，能够最大程度的发挥电磁冲击的改性效果，实现对微区内应力调整、界面稳定性提升及微区损伤缺陷修复，达到提升钛合金及其构件应力疲劳性能的目的。同时，脉冲电流、磁感应强度的能量参数依据材料特性来选择，是依据不同材料物理特性所选取的最佳工艺参数区间，可以适用于不同类型钛合金构件的处理。
此外，依据电阻值/导热系数的变化幅度来选择电磁冲击改性工艺参数，是能够准确实现电磁冲击改性效果的有效手段，电阻值和导热系数能够反映构件内部的损伤缺陷状态，电阻值越低、导热系数越高，则构件内部损伤缺陷得到有效修复，基体组织状态变得更加稳定和均匀。然而，当电阻值下降过多/导热系数增加过多，材料可能已经发生整体相变，不适用于钛合金构件的改性处理。
附图说明
图1为本发明一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法流程图；
图2为图1所示步骤S20的细化流程示意图；
图3为实施例2未处理叶片模拟件振动疲劳极限测试结果；
图4为实施例2电磁能量冲击处理叶片模拟件振动疲劳极限测试结果。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
电磁作为具有高传输速率、高能流密度的能量载体，能够将能量直接传递至金属材料内部，从原子尺度调整组织结构。电磁能量冲击技术是全新的金属材料外加物理场强化技术，通过对钛合金叶片施加不同能级的交变电场、交变磁场或交变电磁场，与叶片基体不同稳定状态、不同弹性能的微区相组织进行能量耦合，能够使处于较高能量状态的损伤微区的原子运动，以实现随机损伤靶向修复。因此，电磁能量冲击技术是解决钛合金随机损伤、提升钛合金疲劳性能的变革性技术手段。
本发明提出一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法。
参照图1，一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，包括以下步骤：
步骤S10，采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理；
步骤S20，施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度。
步骤S10中，当钛合金构件表面温度增加到0.005Tm～0.01Tm时，停止施加超声振动或机械振动，其中Tm为钛合金构件的熔点。
步骤S10中，超声振动频率fu和机械振动频率fm根据钛合金构件的共振频率fr确定，超声振动频率fu＝(80～500)fr；机械振动频率fm＝(0.06～0.2)fr，机械振动的应力为σ＝(15％～20％)σf，σf为所处理钛合金疲劳极限。
步骤S10中，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为钛合金的比热容、密度和电阻率；所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr，磁场感应强度H＝300IH/L，其中，励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A，L为有限励磁长度。
步骤S20中，采用交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理时，分多次进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前变化幅度达到预设幅度。
参照图2，步骤S20具体包括：
步骤S201，施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，并测量钛合金构件表面温度；
步骤S202，当钛合金构件表面温度增加到第一预设温度时，暂停改性处理，测量钛合金构件的当前电阻值；
步骤S203，判断钛合金构件的当前电阻值相比改性前降低幅度是否达到到预设幅度，或者钛合金构件的当前导热系数相比改性前增加幅度是否达到预设幅度；
当钛合金构件当前电阻值相比改性前降低幅达到到预设幅度，或者钛合金构件的当前导热系数相比改性前增加幅度达到预设幅度，执行步骤S204；当当前电阻值相比改性前降低幅未达到到预设幅度，或者钛合金构件的当前导热系数相比改性前增加幅度未达到预设幅度时，执行步骤S205；
步骤S204，停止改性处理；
步骤S205，继续施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场改性直至达到预设时长，预设时长到达后，返回执行步骤S201，直至钛合金构件的当前电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度时停止。
步骤S20中，电阻值下降预设幅度为原电阻值的3％～5％，导热系数增加预设幅度为原电阻值的5％～10％。第一预设温度为0.005Tm～0.01Tm。
因一次改性可能无法使构件电阻值/导热系数变化程度达到到预设幅度，因此，分多次进行改性。
本发明的工作原理如下。
根据金属结合原理，即电负性小的元素易失去电子，大量电负性小的原子相互靠近组成晶体时，各原子给出自己的价电子而成为带正电的原子实，价电子不再被束缚在各原子上，而是在整个晶体中运动、为所有原子共有。这种带正电的原子实与共有化的价电子云之间的互作用即为金属键。金属键的建立和破坏与两个原子间的互作用势能密切相关，若两个原子的间距为r，则有，
u(r)＝uT(r)+uR(r)
式中，等号后第一项是吸引势能，a、m是大于0的常数；第二项是排斥势能，又称波恩-朗道计算式，b是晶格参数，n为波恩指数，b和n二者都是由实验确定的常数。
由互作用势能可以得到两个原子间的互作用力，即，
同理，两个原子间的作用力可分为吸引力和排斥力，当两个原子间距离远(r>r0)时，互作用力表现为异性电荷产生的库伦引力；当两个原子间距离近(r＜r0)时，两个原子的外层电子云重叠，这时互作用力主要表现为同性原子的库伦斥力，且随着距离的进一步减小而迅速增大；只有在适当距离(r＝r0)时，互作用力为零。两个原子间距为r＝r0时，若平衡势能越大，这两个原子的结合就越牢固，要分解它们所需提供的能量就越多。
通过超声振动或机械振动预处理，激活成形加工制造过程中内应力较大区域和微区损伤缺陷(位错塞积、应力集中、界面、微纳尺度孔洞及微裂纹等)区域原子间的互作用，同时，进一步施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场，使钛合金内应力较大区域和微区损伤缺陷区域的原子进行重组，从而减少位错塞积、提高界面稳定性、修复微纳损伤缺陷、均化应力分布，进而提高钛合金的应力疲劳性能。因此，将振动预处理和电磁冲击处理相结合提升钛合金应力疲劳性能，其本质原理是改变原子间相互作用力，驱动高能不稳定微区运动运动，实现材料内部组织状态的稳定化均匀化。
以下分两个实施例进行具体说明。
实施例1：
以TC11钛合金试件为例，基于钛合金的共振疲劳和疲劳极限，调整所施加的超声振动/机械振动工艺参数；根据钛合金材料的物理特性，调整作用于钛合金及其构件的交变电场、交变磁场或交变电磁复合场工艺参数，设计了一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，该方法的具体步骤如下：
S1)采用直接施加超声振动的方式对钛合金及其构件进行预处理；预处理过程中，当金属零件表面温升达到10℃时，停止施加超声振动；所采用的超声振动频率为20kHz；
S3)超声振动结束后，立即采用脉冲电流和脉冲磁场所产生的交变电磁复合场同时对钛合金及其构件进行改性处理。所采用的脉冲电流参数为：交变磁场频率75Hz，磁感应强度0.2T；交变电场频率80Hz，峰值电流大小150A/mm2；
S4)采用脉冲电流对钛合金及其构件的改性处理过程中，当金属零件表面温升达到10℃时，暂停施加脉冲电流直到金属零件表面温度降至25±0.5℃后，测量金属零件的电阻，当测量的电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度达到4％时，再继续施加脉冲电流改性直至达到设定时长，为30min，当降低幅度小于4％时，继续施加脉冲电流改性至金属零件表面温升再次达到10℃，重复测量同一检测点的电阻值，直至电阻值降低幅度达到4％。
对未处理TC11试件和经电磁能量冲击处理的TC11试件进行振动疲劳性能测试，结果表明，未处理的TC11试件的条件疲劳平均循环次数为28697，而经电磁能量冲击处理的TC11钛合金试件的条件疲劳平均循环次数为55638。也即，与未处理的TC11试件相比，经电磁能量冲击处理的TC11试件振动疲劳循环次数提升了93.9％，其振动疲劳性能得到明显提升。
实施例2
以TC11钛合金叶片模拟件振动疲劳试验为例，通过改变超声振动/机械振动预处理方式，调整所施加的超声振动/机械振动工艺参数，同时通过改变作用于钛合金及其构件的交变电场、交变磁场或交变电磁复合场工艺参数，设计了一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，该方法的具体步骤如下：
S1)采用直接施加机械振动的方式对钛合金及其构件进行预处理；当金属零件表面温升达到15℃时，停止施加机械振动；所采用的机械振动频率为25Hz，机械振动应力120MPa；
S2)超声振动或机械振动结束后，立即采用脉冲电流所产生的交变电磁复合场对钛合金及其构件进行改性处理。所采用的脉冲电流参数为：频率75Hz，峰值电流大小250A/mm2；
S3)采用交变电场对钛合金及其构件的改性处理过程中，当金属零件表面温升达到15℃时，暂停施加脉冲电流直到金属零件表面温度降至25±0.5℃后，测量金属零件的导热系数，当测量的导热系数相比改性前增加幅度达到5％时，再继续施加脉冲电流改性直至达到设定时长，为30min；当增加幅度小于5％时，继续施加脉冲电流改性至金属零件表面温升再次达到15℃，重复测量同一检测点的导热系数，直至导热系数增加幅度达到5％。
对未处理TC11叶片模拟件和经电磁能量冲击处理的TC11叶片模拟件进行振动疲劳性能测试，测试结果如图3、图4所示，未处理叶片模拟件的振动疲劳极限是410MPa，电磁能量冲击处理后叶片模拟件的振动疲劳极限是478MPa，也即，与未处理的TC11叶片模拟件相比，经电磁能量冲击处理的TC11叶片模拟件振动疲劳极限提升了16.6％，其振动疲劳性能得到明显提升。
本发明通过超声振动或机械振动预处理，激活成形加工制造过程中内应力较大区域和微区损伤缺陷(位错塞积、应力集中、界面、微纳尺度孔洞及微裂纹等)区域原子间的互作用，从而为后续的电磁冲击处理改性作准备。同时，采用的振动频率根据构件的共振疲劳来确定，在所设定振动频率区间内，能够起到最佳的构件整体应力均匀化作用。在预处理基础上，对钛合金及其构件直接施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场进行改性，控制交变电场、交变磁场或交变电磁复合场作用所产生的电磁脉冲能量参数，对已经激活的微区损伤缺陷进行进一步靶向调控，驱动高能不稳定微区原子运动，使构件整体组织状态稳定化均匀化。将振动预处理与电磁冲击处理相结合，能够最大程度的发挥电磁冲击的改性效果，实现对微区内应力调整、界面稳定性提升及微区损伤缺陷修复，达到提升钛合金及其构件应力疲劳性能的目的。同时，脉冲电流、磁感应强度的能量参数依据材料特性来选择，是依据不同材料特点所选取的最佳工艺参数区间，可以适用于不同类型钛合金构件的处理。
此外，依据电阻值/导热系数的变化幅度来选择电磁冲击改性工艺参数，是能够准确实现电磁冲击改性效果的有效手段，电阻值和导热系数能够反映构件内部的损伤缺陷状态，电阻值越低、导热系数越高，则构件内部损伤缺陷得到有效修复，基体组织状态变得更加稳定和均匀。然而，当电阻值下降过多/导热系数增加过多，材料可能已经发生整体相变，不适用于钛合金构件的改性处理。
本处理方法简单容易操作。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理；
施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度。
2.如权利要求1所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理的步骤中，当钛合金构件表面温升达到0.005Tm～0.01Tm时，停止施加超声振动或机械振动，其中Tm为钛合金构件的熔点。
3.如权利要求2所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述采用超声振动或机械振动的方式对钛合金构件进行振动预处理的步骤中，超声振动频率fu和机械振动频率fm根据钛合金构件的共振频率fr确定，超声振动频率fu＝(80～500)fr；机械振动频率fm＝(0.06～0.2)fr，机械振动的应力为σ＝(15％～20％)σf，σf为所处理钛合金疲劳极限。
4.如权利要求3所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理的步骤中，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为钛合金的比热容、密度和电阻率；所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr，磁场感应强度H＝300IH/L，其中，励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A，L为有效励磁长度。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，采用交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理时，分多次进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值相比改性前降低幅度达到预设幅度，或直至钛合金构件的当前导热系数相比改性前增加幅度达到预设幅度。
6.如权利要求5所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，直至钛合金构件测量的电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度达到预设幅度的步骤具体包括：
施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，并测量钛合金构件表面温度；
当钛合金构件表面温度增加到第一预设温度时，暂停改性处理，测量钛合金构件的当前电阻值/导热系数；
判断钛合金构件的当前电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数降低幅度是否下降或上升到预设幅度；
当钛合金构件电阻值相比改性前降低幅度达到预设幅度，或钛合金构件导热系数相比改性前增加幅度达到预设幅度，停止改性处理；
当钛合金构件的当前电阻值/导热系数相比改性前的原电阻值/导热系数变化幅度未下降到预设幅度时，继续施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场改性直至达到预设时长，预设时长到达后，继续测量钛合金构件的当前电阻值/导热系数，并继续执行施加交变电场、交变磁场或交变电磁复合场对钛合金构件进行改性处理，并测量钛合金构件表面温度的步骤，直至钛合金构件的当前电阻值相比改性前下降幅度到预设幅度时停止，或钛合金构件的当前导热系数相比改性前增加到预设幅度时停止。
7.如权利要求6所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述电阻值下降预设幅度为原电阻值的3％～5％，所属导热系数增加预设幅度为原导热系数的5％～10％。
8.如权利要求6所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述第一预设温度为0.005Tm～0.01Tm。
9.如权利要求4所述的一种提升钛合金应力疲劳性能的电磁冲击技术方法，其特征在于，所述施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量、所述施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量、所述施加交变电磁场是指同时首次以脉冲电流和脉冲磁场引入电磁冲击能量。
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