CN117431481A - 一种TiAl合金喷丸强化方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl合金喷丸强化方法，采用陶瓷喷丸以0.25N‑0.4N的喷丸强度对TiAl合金制件表面进行喷丸强化处理。该方法打破了喷丸强化对TiAl金属间化合物材料效果不明显的一般认识，能够在TiAl合金表面形成具有残余压应力的表层结构，显著提高TiAl合金制件的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属加工领域，具体涉及一种TiAl合金喷丸强化方法。
背景技术
TiAl合金的密度仅为镍基高温合金的一半，由于TiAl合金在600℃-750℃下具有良好的比强度和比模量，具有良好的抗蠕变、抗氧化性能，因此以TiAl合金取代常规高温合金已成为当前航空航天领域中的热门课题。在商用航空发动机领域，TiAl合金已成功应用于GEnx、Leep等发动机的低压涡轮叶片。然而，TiAl合金由Ti-Al金属间化合物组成，合金基体在常温下表现出明显的脆性，在冲击等载荷下具有显著开裂的倾向，一般认为喷丸加工对TiAl合金没有显著效果。如专利CN101591758A公开了一种利用不锈钢喷丸对γTiAl合金进行喷丸强化处理的方法，其目的是通过喷丸技术有效提髙γTiAl室温疲劳寿命，但从其说明书描述的技术效果来看，该方法对样品的疲劳寿命没有数量级上的改变，从材料的疲劳寿命角度而言，这对工程实践没有实际意义。另一方面，TiAl合金零件由于加工方法、加工路径和加工工艺的变化而容易造成加工表面的材料性能和残余应力分布不均匀，对材料及其构件的疲劳寿命造成明显的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiAl合金喷丸强化方法，提高TiAl合金制件的疲劳寿命。
根据本发明的一个实施例，提供一种TiAl合金喷丸强化方法，该方法采用陶瓷喷丸以0.25N-0.4N的喷丸强度对TiAl合金制件表面进行喷丸强化处理。发明人经过大量研究与试验发现，以N型阿尔门试片计弧高值0.25-0.4的喷丸强度对TiAl合金表面进行喷丸强化处理，能够在不造成合金制件表面产生凹坑或微裂纹的前提下提高TiAl合金浅表面的残余应力，从而有效提高合金制件的疲劳寿命。喷丸强度过低，则TiAl合金表面不发生改变，喷丸强度过高，则TiAl合金表面产生明显的凹坑或微裂纹，甚至直接开裂。这一工艺方法打破了通常认为喷丸强化处理对TiAl金属间化合物没有显著效果的一般认识。
进一步地，所述陶瓷喷丸为氧化锆Z300。经大量试验，氧化锆Z300喷丸具有较佳的强化效果。
进一步地，所述TiAl合金为TiAl-4522XD合金。TiAl-4522XD合金是适用于航空发动机涡轮叶片制造的较为成熟的TiAl合金材料。
进一步地，该方法中喷丸覆盖率为100％-200％。覆盖率不足无法产生强化效果，而过喷丸会增加产生表面缺陷的风险。
进一步地，所述TiAl合金制件为精密铸造工艺制造的涡轮叶片。
进一步地，所述TiAl合金制件喷丸后表面粗糙度≤0.8Ra。表面粗糙度过高有导致TiAl合金制件疲劳寿命不稳定的风险。
进一步地，所述TiAl合金制件喷丸后表面150μm深度内残余应力
≥580MPa。
进一步地，所述TiAl合金制件在喷丸处理后制件在650℃下400MPa的旋弯疲劳寿命提高1-2个数量级，在工程上具有显著的应用价值。
进一步地，在喷丸强化处理后，还包括利用X射线衍射或显微硬度测试对制件表面的残余应力进行测量的步骤。利用X射线衍射能够进行无损检测，显微硬度测试则适用于试制过程中对工艺参数进行分析比对。
附图说明
图1为一实施例中TiAl合金低压涡轮叶片结构示意图；
图2a为一实施例中TiAl合金表面喷丸强化后的金相照片；
图2b为一对比例中TiAl合金表面喷丸强化后的金相照片；
图3a为另一实施例中TiAl合金制件喷丸强化后的局部表面照片；
图3b为另一对比例中TiAl合金制件喷丸强化后的局部表面照片；
图3c为又一对比例中TiAl合金制件喷丸强化后的局部表面照片；
图4为一组实施例与对比例的疲劳寿对比图。
上述附图的目的在于对本发明作出详细描述，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。为了表达简洁，上述附图仅示意性地示出了与本发明技术特征有关的内容，并未展示完整零件设备和全部细节。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细描述。
本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
TiAl合金作为航空航天领域热门的新型材料，在民航发动机设计制造领域获得了越来越多的应用。一般认为，由于TiAl合金自身脆性强，开裂倾向显著，常温喷丸强化处理对该种材料没有明显效果，在喷丸强度较小的情况下无法起到强化作用，而喷丸强度提高则容易在表面产生凹坑或微裂纹，引起合金疲劳性能的显著衰退。为了克服上述问题，发明人经过了大量的研究与试验，找到了优化的喷丸强化参数，能够将TiAl合金制件的疲劳寿命提高1-2个数量级，克服了原有的技术偏见，具有显著的工程应用价值。
根据本发明的一个实施例，提供如图1所示的航空发动机低压涡轮叶片1，该叶片采用TiAl合金以精密铸造工艺制造，在部分优选实施例中采用TiAl-4522XD材料，以及离心精密铸造工艺。榫头2部位对疲劳性能要求较高，需要对其进行喷丸强化处理，以提高其疲劳寿命。首先根据叶片结构选取适宜的喷丸设备和夹具，并设计喷丸强化的扫描路径和喷射角度，利用遮蔽材料如胶带对非喷丸区的缘板3及叶身部位进行遮蔽，完成喷丸前的准备工作。接下来，利用陶瓷喷丸，以0.25N-0.4N的喷丸强度对榫头2进行喷丸强化。在部分优选实施例中，喷丸采用氧化锆材质Z300喷丸，在部分优选实施例中，喷丸覆盖率设置为100％-200％。喷丸完成后，撤除遮蔽材料并对叶片进行表面清理。
上述喷丸强化方法除了应用于TiAl合金制造的涡轮叶片，也可以用于机匣等其他TiAl合金制件。经过上述喷丸强化的TiAl合金制件，在表面引入较为均匀的残余应力，其疲劳寿命能够提高1至2个数量级。通常，由于TiAl合金以钛铝金属间化合物为主要成分，表现出高度的脆性和开裂倾向，一般认为这类材料不适于进行常温喷丸处理，因为喷丸的撞击会在材料表面形成凹坑甚至微裂纹，反而造成TiAl合金制件疲劳寿命的显著衰退。然而，发明人认识到，从微观角度看，TiAl合金是具备一定塑性的，在控制喷丸强度的前提下能够在TiAl合金制件的表面引入均匀的压应力以达到提高疲劳寿命的效果，同时避免造成表面缺陷。
根据本发明的一个实施例，以0.25N-0.4N的喷丸强度处理的TiAl合金制件剖面的金相如图2a所示，在一对比例中以0.42N的喷丸强度处理的TiAl合金制件剖面金相如图2b所示。通过比较可以看到，图2a的金相样品表面连续而完整，而图2b的表面区域存在喷丸冲击过强而留下的明显的凹坑缺陷4，这些凹坑缺陷4会在疲劳测试中成为萌生为裂纹源，对制件整体的疲劳寿命造成显著的损害。
除喷丸强度外，喷丸的材质选择也对TiAl合金的强化效果有显著影响。根据本发明的另一个实施例，利用陶瓷喷丸处理的TiAl合金制件表面如图3a所示，采用铸钢喷丸处理的TiAl合金制件表面如图3b所示，采用玻璃喷丸处理的TiAl合金制件表面如图3c所示。可见，采用陶瓷喷丸处理的TiAl合金制件表面均匀致密；采用铸钢喷丸处理的制件表则较为粗糙，存在凹坑或麻点，对制件的疲劳寿命产生不利影响；而玻璃喷丸在喷丸处理过程中容易发生丸粒破碎导致制件表面产生毛刺等缺陷，同样不利与制件疲劳寿命的提高。
在本发明的又一实施例中，对一组TiAl合金制件采用0.25N的喷丸强度进行表面强化处理，随后分别对这些制件进行650℃下400MPa的旋弯疲劳测试，其结果如图4所示。本实施例中，设置了4组样品，分别是未经喷丸的初始磨削态对比样品和喷丸覆盖率分别为100％、150％、200％的样品，每组样品有3个。图4中的坐标横轴分别对应这些样品分组，纵轴则显示了这些样品在疲劳测试中的循环周数经归一化处理之后的结果。可见，与未经喷丸强化的初始磨削状态制件相比，经过喷丸强化处理的制件疲劳寿命得到了显著的提高，各组样品平均寿命提高超过1个数量级，150％覆盖率和200％覆盖率下优选样品的疲劳寿命提高了超过2个数量级，这对于涡轮叶片等精密零件具有很高的工程应用价值。
在本发明的再一实施例中，对一组TiAl-4522XD合金涡轮叶片利用Z300喷丸进行表面强化处理，并分别对这些样品进行650℃下400MPa的旋弯疲劳测试：
样品1采用0.25N喷丸强度，100％覆盖率的参数进行表面强化，所得样品表面粗糙度≤0.8Ra；对表面残余应力进行测量，在150μm深度范围存在730MPa的压应力；经疲劳旋弯测试，样品疲劳寿命提高1个数量级。
样品2采用0.3N喷丸强度，100％覆盖率的参数进行表面强化，所得样品的表面粗糙度≤0.5Ra；对表面残余应力进行测量，在150μm深度范围存在950MPa的压应力；经疲劳旋弯测试，样品疲劳寿命提高1个数量级。
样品3采用0.25N喷丸强度，150％覆盖率的参数进行表面强化，所得样品的表面粗糙度≤0.5Ra；对表面残余应力进行测量，在150μm深度范围存在730MPa的压应力；经疲劳旋弯测试，样品疲劳寿命提高1个数量级。
样品4采用0.25N喷丸强度，200％覆盖率的参数进行表面强化，所得样品的表面粗糙度≤0.3Ra；对表面残余应力进行测量，在150μm深度范围存在580MPa的压应力；经疲劳旋弯测试，样品疲劳寿命提高1-2个数量级。
对比样品采用0.16N喷丸强度进行表面强化，对表面残余应力进行测量，样品在150μm范围内残余应力与未经处理的合金原材料相近，在疲劳测试中其疲劳寿命与未经处理的样品无明显差异。
上述样品即对比样品中的残余应力数值可以采用X射线衍射以无损检测的方法测量获得，也可以通过显微硬度测试的方式间接计算获得。其中X射线衍射为无损检测工艺，适用于批量产品的质量检查；显微硬度测试方法需要对样品进行切割，适用试制过程中对包括喷丸角度和喷丸路径等在内的加工参数进行考察优化时进行分析比对。
上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明权利要求的范围内，对所涉及的材料或方法步骤进行优化或等效替换，均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，采用陶瓷喷丸以0.25N-0.4N的喷丸强度对TiAl合金制件表面进行喷丸强化处理。
2.根据权利要求1所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，所述TiAl合金为TiAl-4522XD合金。
3.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，所述陶瓷喷丸为氧化锆Z300。
4.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，喷丸覆盖率为100％-200％。
5.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，所述TiAl合金制件为精密铸造工艺制造的涡轮叶片。
6.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，所述TiAl合金制件喷丸后表面粗糙度≤0.8Ra。
7.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，所述TiAl合金制件喷丸后表面150μm深度内残余应力≥580MPa。
8.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，调整喷丸加工参数，以使所述TiAl合金制件在喷丸处理后在650℃下400MPa的旋弯疲劳寿命提高1-2个数量级。
9.根据权利要求1或2所述的TiAl合金喷丸强化方法，其特征在于，在喷丸强化处理后，还包括利用X射线衍射或显微硬度测试对制件表面的残余应力进行测量的步骤。
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