铝合金及其复合材料的表面强化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属表面强化技术领域，特别涉及一种铝合金及其复合材料的表面强化方法。
【背景技术】
[0002]铝合金及其复合材料具有密度小、比强度高、比刚度高、抗疲劳和蠕变性能良好、耐腐蚀等优良性能，经常作为首选的轻量化结构材料应用于航空航天、汽车工业等领域。
[0003]喷丸强化是一种能够有效提高零部件抗疲劳性能的重要手段，它可以在金属表面形成一残余压应力层，能够防止和延缓疲劳裂纹的萌生和扩展，提高零部件的疲劳寿命。另外表面残余压应力还可以使零部件耐磨性能增强，能够有效地防止应力腐蚀，提高其腐蚀疲劳寿命。
[0004]铝合金及其复合材料作为一种航空航天用关键承载结构件，其表面质量对其疲劳寿命影响非常敏感。传统的表面强化处理方法仅仅是把经过塑性成形的零部件直接进行喷丸处理，中间不经过任何环节的处理。但实际上零部件在塑性成形结束后表面会残留很多润滑剂(如石墨等)，以及在塑性成形环节中引入的其它杂质(如铁屑等)，若零部件形状复杂则可能产生很多折叠、凹坑等锻造缺陷，仅通过单一的喷丸处理无法完全清除上述杂质和缺陷，甚至会把一些杂质压进锻件表层，为疲劳裂纹的萌生提供优越条件，锻件的疲劳寿命会随之降低。因此，获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，该表面强化方法强化层更加洁净、成本低、生产效率高，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。
[0006]一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，包括下述步骤:
[0007](I)对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，砂子粒径为70?200 μ m，清理表面润滑剂、污染杂质和折叠缺陷等；
[0008](2)对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入氢氧化钠水溶液中浸泡，然后清水冲洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水冲洗，最后吹干，去除表面喷砂痕迹:
[0009](3)对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为70?200 μ m,形成压应力层。
[0010]对于承载结构件而言，零部件表面质量好坏会显著影响其疲劳寿命，表面质量好、存在压应力强化层则其疲劳寿命较长，所以获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。
[0011]本发明中，首先对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，利用砂子较好的切削能力来清理在塑性成形阶段引入表面的润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等，砂子粒径为70?200 μ m,喷射距离为10?40cm,气体压力0.2?IMPa,粒径太小或太大的砂子切削能力差、喷砂效率低。
[0012]然后，对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入质量浓度为10%?20%、温度为50?80°C的氢氧化钠水溶液中浸泡,浸泡时间为5?15min后清水冲洗,然后放入质量浓度为5%?10%、温度为室温的硝酸溶液中浸泡,浸泡时间为I?3min后清水冲洗，再吹干；去除表面喷砂痕迹。喷砂处理后，材料表面会产生很多砂子留下的短划痕(见图2 (a))，这种表面非常有利于疲劳裂纹萌生，会极大地降低零部件的使用寿命，所以采用价格低廉、操作简单的氢氧化钠溶液将其腐蚀清除，再采用硝酸溶液中和残留的氢氧化钠溶液，最终获得一个光滑、洁净的表面。
[0013]最后，对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，产生一个洁净的压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为70?200 μ m,喷射距离为10?40cm，气体压力0.2?IMPa。
[0014]本发明的表面强化方法可广泛应用于2XXX系和6XXX系铝合金及其复合材料的铸件和模锻件。
[0015]本发明的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法的优点为:该方法成本低、生产效率高、可获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层，具有强化层更加洁净、成本低及生产效率高的特点，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。
[0016]下面通过【具体实施方式】和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。
【附图说明】
[0017]图1是铝合金及其复合材料零部件的表面强化工艺流程简图。
[0018]图2 (a)是15vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件喷砂后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大400倍)。
[0019]图2 (b)是15vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件腐蚀后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大400倍)。
[0020]图2 (C)是15vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件喷丸后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大400倍)。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，为本发明铝合金及其复合材料零部件的表面强化工艺流程简，包括对零部件进行喷砂处理，腐蚀处理和喷丸处理三个步骤。首先对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，利用砂子较好的切削能力来清理表面润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等；然后进行腐蚀处理，去除表面喷砂痕迹；最后进行喷丸处理，使材料表面产生一个洁净的压应力层，从而显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。
[0022]实施例1:
[0023]本实施例的实验材料为15vol.%SiCp/2009Al复合材料锻件。具体实施方法:第一步，对复合材料锻件进行喷砂处理，清理表面润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等，砂子粒径为150μπι，喷射距离为10cm，气体压力IMPa ;第二步，对复合材料锻件进行腐蚀处理，去除表面喷砂痕迹:首先放入质量浓度为10%、温度为70°C的氢氧化钠水溶液中浸泡1min后清水冲洗，然后放入质量浓度为5%、温度为室温的硝酸溶液中浸泡3min后清水冲洗，再吹干；第三步，对复合材料锻件进行喷丸处理，产生压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为70 μ m,喷射距离为20cm,气体压力IMPa。
[0024]图2为15vol.%SiCp/2009Al复合材料经过喷砂处理后锻件表面微观组织，经过喷砂处理后(图2(a))，锻件表面布满了短划痕，这些划痕会给锻件疲劳性能带来不利影响，所以必须将其清除。经过氢氧化钠溶液腐蚀后(图2(b))，喷砂残留的短划痕被清理掉，锻件表面光滑，有一层SiC颗粒裸露在外。经过喷丸处理后(图2(c))，裸露在外的SiC颗粒被撞击脱落，在锻件表面产生形成一层均匀的丸坑。经测试，喷丸前锻件硬度为160HB，喷丸后为180HB，提高了 12.5%。拉-拉轴向疲劳测试表明，加载应力为380MPa时，材料的循环周次由喷丸前的2X 15提高至3X106。
[0025]实施例2:
[0026]本实施例的实验材料为2024A1板材。具体实施方法:第一步，对2024A1板材进行喷砂处理，清理表面润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等，砂子粒径为100 μ m，喷射距离为20cm，气体压力0.5MPa ;第二步，对2024A1板材进行腐蚀处理，去除表面喷砂痕迹:首先放入质量浓度为15%、温度为60°C的氢氧化钠水溶液中浸泡5min后清水冲洗，然后放入质量浓度为10%、温度为室温的硝酸溶液中浸泡Imin后清水冲洗，再吹干；第三步,对2024A1板材进行喷丸处理，产生压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为150 μ m,喷射距离为40cm，气体压力0.5MPa。经测试，喷丸前材料硬度为125HB，喷丸后为140HB，提高了 12%。拉-拉轴向疲劳测试表明，加载应力为300MPa时，材料的循环周次由喷丸前的5 X 15提高至I X 106。
[0027]实施例3:
[0028]本实施例的实验材料为6061A1棒材。具体实施方法:第一步，对6061A1棒材进行喷砂处理，清理表面润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等，砂子粒径为200 μ m,喷射距离为30cm，气体压力0.2MPa ;第二步，对6061A1棒材进行腐蚀处理，去除表面喷砂痕迹:首先放入质量浓度为20%、温度为50°C的氢氧化钠水溶液中浸泡5min后清水冲洗,然后放入质量浓度为10%、温度为室温的硝酸溶液中浸泡2min后清水冲洗，再吹干；第三步，对6061A1棒材进行喷丸处理，产生压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为200 μ m,喷射距离为30cm，气体压力0.2MPa。经测试，喷丸前材料抗拉强度为240MPa，喷丸后为260MPa。拉-拉轴向疲劳测试表明，加载应力为120MPa时，材料的循环周次由喷丸前的7X 14提高至8X 105。
[0029]本发明成本低、生产效率高，可获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。
【主权项】
1.一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，包括下述步骤: (1)对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，砂子粒径为70?200μ m，清理表面润滑剂、污染杂质和折叠缺陷； (2)对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入氢氧化钠水溶液中浸泡，然后清水冲洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水冲洗，最后吹干，去除表面喷砂痕迹: (3)对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为70?200 μ m，形成压应力层。
2.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，其特征在于:所述的喷砂处理中，喷射距离为10?40cm，气体压力0.2?IMPa。
3.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，其特征在于:所述的氢氧化钠水溶液的质量浓度为10%?20%，温度为50?80°C，浸泡时间为5?15min。
4.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，其特征在于:所述的硝酸溶液的质量浓度为5%?10%，浸泡时间为I?3min。
5.根据权利要求1所述的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，其特征在于:所述的喷丸处理中，喷射距离为10?40cm,气体压力0.2?IMPa。
【专利摘要】本发明涉及一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，属于金属表面强化技术领域。首先，对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，砂子粒径为70～200μm，清理表面润滑剂、污染杂质和折叠缺陷；其次，对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入氢氧化钠水溶液中浸泡，然后清水冲洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水冲洗，最后吹干，去除表面喷砂痕迹：最后，对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为70～200μm，形成压应力层。铝合金及其复合材料零部件经过该方法处理后，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。
【IPC分类】C22F1-04, C23F17-00
【公开号】CN104674231
【申请号】CN201310629089
【发明人】魏少华, 刘彦强, 左涛, 聂俊辉, 郝心想, 马自力, 樊建中
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月29日