专利名称：一种合金表层微裂纹的处理方法
技术领域：
本发明涉及机械维修和金属构件表面修复技术,尤其涉及一种合金构件或材料表层微裂纹的修复处理方法。
背景技术：
金属结构件的服役寿命和服役安全是工业界始终关注的重要问题。而金属构件由于加工制造或在使用过程中受到外界环境的影响(交变载荷、冲击、温度差等)很容易在金属表层产生微裂纹，当微裂纹扩展到一定程度时就会形成宏观裂纹，而最终导致构件失效并可能引发安全事故。因此对含微裂纹金属构件进行修复或者将裂纹尺寸始终控制在允许的范围内则可以延长金属构件的服役寿命，具有重要的经济价值和社会效益。目前金属材料表层出现裂纹的处理方法通常采用焊接修补的方法，这种方法虽实用范围广，但工艺复杂，成本高。此外，由于焊接修补过程中的高温熔融的作用会在材料表面产生残余拉应力，造成构件修补后服役过程中仍会重新产生新的裂纹，例如真空钎焊、电弧以及等离子弧焊在修复过程中的热输入较大，都容易在热影响区产生热裂纹，电子束焊又因为需要复杂的真空系统而受到限制。以钛合金为例，由于钛合金材料价格昂贵且加工难度大，通常用于苛刻环境下服役的重要结构件；钛合金构件及材料的服役寿命和服役安全是工业界，尤其是航空航天、舰船制造、仪器仪表等领域始终关注的重要问题。以Ti-6A1-4V钛合金(简称TC4)为例，TC4是应用最为广泛的钛合金，TC4钛合金构件或材料在加工制造或使用过程中受到外部环境的作用，如交变载荷、冲击载荷、温度波动等，很容易在其表层产生微裂纹，当微裂纹扩展到一定程度时就会形成宏观裂纹，进而导致构件失效并可能引发安全事故。因此，对含微裂纹的TC4钛合金构件或材料进行修复或者将裂纹尺寸始终控制在允许的范围内则可以延长金属构件的服役寿命，具有重要的经济价值和社会效益。中国发明专利CNlO 1403114《一种链篦机关键零部件表面裂纹修复方法》采用激光熔融与激光冲击处理相结合的方法修复裂纹，这种方法属于高新技术领域，所用激光设备比较昂贵，适用于关键零部件的少量处理，对于大面积、大型构件的修复不够经济适用，不能满足工业生产的广泛性和规模化应用。中国发明专利CN201239828《钢管内表面裂纹修复装置》采用将表层带有裂纹的金属切削掉的方法来消除裂纹，这种方法由于切削掉一层金属，势必会影响工件的尺寸精度，而且会在金属表面产生拉应力，且不能避免新裂纹的出现，所以这种采用切削来消除裂纹的方法只适用于对工件尺寸精度要求低的个别领域。另夕卜，中国发明专利CN1857850《一种修复金属裂纹的方法》采用缝补、镶嵌、扩孔相结合的方式对裂纹进行修复，但这种方法对金属表面平整度有一点要求，且修复工艺较为复杂。
发明内容
针对现有合金构件或材料表层微裂纹处理方法的局限性，本发明旨在公开一种合金构件或材料表层微裂纹的处理方法，其针对深度小于O. 8mm,宽度小于O. 2mm，长度小于2mm的微裂纹，采有液体喷丸修复的方法，在所述金属表层裂纹周边区域形成一个压应力层，使得深度较浅的微裂纹直接被清除掉，深度较深的裂纹尺寸变得细小，产生闭合效应；尤为特殊的是，采用本方法处理后可以在合金材料表面形成一层纳米晶，大大提高了材料表面的硬度、韧性和抗裂纹扩展能力，从而显著阻碍裂纹的进一步扩展，使得构件或材料可以继续服役。本发明的技术解决方案是这样实现的一种合金表层微裂纹的处理方法，包括下述处理步骤(I)确定微裂纹特征通过无损探伤测试方法确定合金材料表层裂纹的位置和尺寸，确定是否满足下述尺寸要求即微裂纹深度小于O. 8mm,宽度小于O. 2mm,长度小于2mm ；
所述无损探伤测试方法包括超声波探伤、X光射线探伤、磁粉探伤和涡流探伤。(2)清洗对于满足前述尺寸范围的表层微裂纹区域进行清洗，去除微裂纹区域的残留物；(3)液体喷丸修复采用液体和弹丸混合而成的喷丸介质，对微裂纹区域的表面进行液体喷丸处理；所述液体为水，或油，或是掺有缓释剂的水或油；所述弹丸是陶瓷丸、或玻璃丸、或铸钢丸、或刚玉弹丸，弹丸粒度为O. 07 O. 8mm ;磨液比即液体和弹丸的质量比为(1(Γ18) :1。具体的，所述液体喷丸修复的工艺中，喷射气压为O. 3^0. 7MPa，喷射处理时间为20 300s，喷射距离为l(T20cm，喷射角度为70° 90°。所用设备为液体喷丸机。传统干喷丸技术是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件表面，使表面层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余压应力分布。液体喷丸相对干喷丸是一种新型喷丸技术，它的工作原理为将弹丸置于水、油等液体介质中，用磨液泵作供料动力，压缩空气作加速动力，通过喷枪将弹丸和液体混合而成的磨液高速喷射到待处理的工件表面，使工件表层裂纹得以修复。液体喷丸较传统的干喷丸相比有诸多优点一方面，由于液体喷丸将弹丸置于水、油等液体中，所述液体可以在金属材料表面形成一层液膜，以排除干摩擦现象，缓和弹丸对金属表面的冲击，使接触载荷分布更为均匀，所形成的金属材料与采用干喷丸相比其表面粗糙度值明显减小，表面质量较好；另一方面，由于高压液体取代了高压空气，丸粒可以随液体回收，避免粉尘污染并能降低喷丸噪声。本发明尤为突出的一个效果体现在采用本发明所述液体喷丸方法对合金，进行处理后，在普通的喷丸强度和压力下(即气体压力O. 7MPa以下，喷丸速度180m/s以下，喷丸时间为几十秒到几分钟)下合金表面晶粒从微米级细化到纳米级，即以普通喷丸的强度和压力达到了通常只有高能喷丸(指利用高速运动的弹丸颗粒撞击金属材料表面，以使表面产生强烈塑性变形，形成纳米结构层，喷丸时间相对普通喷丸显著延长，通常其喷丸时间为几小时，甚至可长达十几个小时，喷射速度与普通喷丸相近或采用高速喷丸，速度一般不超过300m/s，弹丸尺寸与普通喷丸相近)才能达到的效果，大大节约了处理时间，降低了处理成本。此外，本发明所述的处理方法有利于提高丸粒和喷嘴的耐用性。
可见，采用液体喷丸技术对合金表面裂纹处理一方面保持了干喷丸技术的优点；另一方面采用普通喷丸压力实现了通常干喷丸时用高能喷丸才能实现的效果，即在金属表层形成纳米晶。此外，由于采用液体喷丸，保持了液体压力恒定不变，因此在材料表面处理质量和稳定性方面都比干喷丸方法优越。
鉴于此，将液体喷丸工艺应用于合金表面微裂纹的处理中，其技术效果是突出的首先，合金表面微裂纹产生闭合效应，降低裂纹扩展速率，从而使合金力学性能提高，使用寿命延长，成本节约利用液体喷丸工艺在符合一定尺寸要求的金属表层裂纹的周边区域形成一个压应力层，其深度为O. 2mm O. 5mm，最大残余压应力值在_600MPa'900MPa，且位于材料最表层；由于残余压应力的作用可以使微裂纹产生闭合效应，降低裂纹扩展有效应力强度因子K的范围和应力比R，从而降低裂纹的扩展速率，使含微裂纹构件在满足使用条件下继续服役，另外还可以提高新裂纹萌生的临界有效应力和萌生位置，从而避免或延缓新的微裂纹产生。同时，由于液体润滑下弹丸的撞击，合金材料表层产生严重晶格畸变，晶粒显著细化，从微米级细化到纳米级，可以极大地提高表层对微裂纹扩展的阻力，从而使表面硬度和韧性增加。其次，获得更好的表面质量由于弹丸硬度大、破碎率低、光整，且有水或油的润滑作用，对材料表面造成的损伤较小，可以直接清理材料表面的氧化皮、毛刺和出现的深度较浅的裂纹，从而使工件变形小，表面光洁度高。再者，综合效益更好本发明采用液体喷丸机对合金表面微裂纹进行处理，设备操作灵活，工艺简单；对于工件大小及操作场地及空间等限制少，处理效率高，并且节约能源，清洁无污染。
具体实施例方式某型号汽轮机叶片，其材料为TC4钛合金，由于长期服役，受到交变载荷和空气中沙尘的影响，在叶片表面出现疲劳裂纹。叶片经表面清理后通过Olympus 5800超声波探伤仪检测到叶片表面微裂纹的长度为I. 5mm,宽度为O. 1mm，深度为O. 45mm ;用酒精对裂纹区域进行清洗后，通过液体喷丸修复方法对叶片进行处理。液体喷丸采用的设备是JY-120WB型液体喷丸机，喷丸介质是水和陶瓷丸，具体的操作过程如下清洗后的试件装卡在夹具上，按照水和陶瓷丸的质量比为10:1，并加入一定的缓释剂，调整喷枪距试件的距离为15cm，喷嘴垂直于试件表面。然后将夹具移开，打开空压机，调整气压到O. 4MPa。一切准备就绪后，开始对试件进行喷丸处理，喷射时间为54s，喷射角度为70°。叶片表面微裂纹经液体喷丸处理后，再对其表面进行无损检测，检测其表面力学性能，并与处理前对比。结果发现在叶片表层裂纹周边区域形成了很好的残余压应力分布，最大残余压应力达到_750MPa，且位于叶片最表层，残余压应力层深在O. 4mm左右，表面微裂纹变小、变细，产生了很好的闭合效应，有效的阻碍了裂纹的扩展，满足叶片使用要求，使叶片继续服役，从而降低了生产成本。
权利要求
1.一种合金表层微裂纹的处理方法，针对深度小于O. 8mm,宽度小于O. 2mm,长度小于2mm的合金表层微裂纹,其特征在于 采用液体喷丸工艺对所述微裂纹进行修复；即采用液体和弹丸混合而成的喷丸介质，对微裂纹区域的表面进行液体喷丸处理； 所述液体为水，或油，或是掺有缓蚀剂的水或油； 所述弹丸是陶瓷丸、或玻璃丸、或铸钢丸、或刚玉弹丸，弹丸粒度为O. 07 O. 8mm ; 其磨液比即液体和弹丸的质量比为(1(Γ18) :1。
2.如权利要求I所述的合金表层微裂纹的处理方法，其特征在于 喷射气压为O. 3^0. 7MPa，喷射处理时间为2(T300s，喷射距离为l(T20cm，喷射角度为70。 90。。
全文摘要
本发明涉及的是一种合金表层微裂纹的处理方法，其针对微裂纹尺寸范围为深度小于0.8mm，宽度小于0.2mm，长度小于2mm，采有液体喷丸修复的方法，在所述合金表层裂纹周边区域形成一个压应力层，使得深度较浅的微裂纹直接被清除掉，深度较深的裂纹尺寸变得细小，产生闭合效应，有效降低所述表面微裂纹的扩展速率，使表面硬度和韧性增加，使构件继续服役；并具有处理后合金变形小，表面光洁度高的特点。本方法应用于合金表层微裂纹的修复处理，设备操作灵活，工艺简单；对于工件大小及操作场地及空间等限制少，处理效率高，并且节约能源，清洁无污染。
文档编号B24C11/00GK102642177SQ20121013766
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者周文龙, 田唐永, 邓德伟, 陈国清 申请人:大连理工大学