提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法
【专利摘要】本发明公开了提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法，本发明所采用的技术方案是以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mm；对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，处理温度150-450℃，保温时间50-70min条件下修复；对经过步骤2修复厚的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，钢丸直径0.5mm，喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。本发明的有益效果是可以效果明显地提高钛合金的疲劳强度，从而大大拓展钛合金的工程应用，特别是在高速、大功率、轻量化要求十分重要的航空、交通装备等领域中的应用前景。
【专利说明】提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属加工【技术领域】，涉及提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法。
【背景技术】[0002]近10年来国内外均有各种表面纳米化等强化方法的研究，主要方法是通过喷丸或滚压等机械强化手段，对金属表面进行剧烈塑性变形纳米化，或者有的研究者在强化后再进行加热消除由于机械强化形成的表面残余应力处理。但现有的这两类方法对于钛合金提高疲劳强度的效果微乎其微，甚至降低了它的疲劳极限。而钛合金是现代航空航天技术发展与应用的非常重要的新型合金，具有巨大的应用前景。
[0003]而发明人的一种提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法，能够效果明显地提高钛合金的疲劳强度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在提供提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法，解决了现有的钛合金金属表面纳米化强化方法不能提高钛合金疲劳强度的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行:
[0006]步骤1:对钛合金表面采取高能纳米化喷丸，以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，具体的喷丸参数为钢丸直径1mm，喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mm ；
[0007]步骤2:对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数在热处理温度150-450°C，保温时间50-70min条件下修复；
[0008]步骤3:表面二次喷丸处理，对经过步骤2修复厚的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
[0009]本发明另一种方法按照以下步骤进行:
[0010]步骤1:对钛合金表面采取高能纳米化喷丸，以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，具体的喷丸参数为钢丸直径1mm，喷丸时间1_3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mm ；
[0011]步骤2:表面二次修复喷丸处理，对经过步骤2修复厚的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒；
[0012]步骤3:对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数在热处理温度150-450°C，保温时间50-70min条件下修复；
[0013]步骤4:表面二次喷丸处理，对经过步骤3修复厚的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。[0014]本发明的有益效果是可以效果明显地提高钛合金的疲劳强度，从而大大拓展钛合金的工程应用，特别是在高速、大功率、轻量化要求十分重要的航空、交通装备等领域中的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是TC4钛合金原始组织A及高能喷丸组织HESP的S-N曲线；
[0016]图2是不同加热温度的表面修复热处理+ 二次喷丸后的S-N曲线；
[0017]图3是原始组织及本热机复合工艺纳米化后的S-N曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行说明。
[0019]通常的高能喷丸、热处理这两种处理方法对钛合金疲劳强度的提高是无效的甚至是效果相反的。但经过发明人的反复实验研究，现将高能喷丸、热处理、小钢丸喷丸这三种基本方法进行合理组合，可以效果非常明显地提高钛合金的疲劳极限。
[0020]本发明组合工艺方法同时采用了高能喷丸、热处理、小钢丸喷丸三种基本工艺方法。本发明的工艺包括两种，具体如下:
[0021]第一种工艺:
[0022](I)对钛合金表面高能纳米化喷丸。高能喷丸就是采取一定的方法，使钢丸以很高的能量对金属表面进行喷丸，使表层产生剧烈塑性变形，从而使金属表层晶粒细化为纳米级。使钢丸以高能量对表面喷丸的方法有，以超声波的高频振动尺寸远大于普通钢丸的大钢丸进行喷丸，或者是使喷丸时间远远大于普通喷丸的时间进行喷丸，或者是使喷丸速度远大于普通喷丸的速度。本发明专利采用的是以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸办法，具体的喷丸参数为:钢丸直径1mm，喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mm ；
[0023](2)表面损伤修复热处理:对上述高能喷丸后的钛合金进行表面损伤修复。由于高能喷丸使钛合金表面产生的剧烈塑性变形，在表层产生纳米化的同时，也对表面造成了一定的损伤。因此，要实现高能喷丸能够有效地提高钛合金的疲劳极限的目的，就必须修复此表面损伤。表面损伤修复热处理，就是利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数来完成。通过施以适当的温度条件，进一步加剧原子扩散，从而修复塑性变形造成的晶体缺陷，进而修复高能喷丸塑性变形造成的表面损伤。实验结果表明该合理的加热修复的条件是:热处理温度150-450°C，保温时间50-70min ；
[0024](3)表面二次修复喷丸处理:对上述经过高能喷丸+表面修复热处理后的钛合金，再进行一次可以修复表面损伤的喷丸处理，此次喷丸处理不同于步骤(1)。即采用较小的钢丸及较短的喷丸时间对表面进行喷丸，从而对损伤表面产生一定的修复效果，进而发挥出纳米组织提高疲劳极限的作用。首先要保证此次喷丸不对表面造成新的损伤，并且以此二次修复喷丸处理来降低高能喷丸造成的表面粗糙现象，同时又利用表层纳米组织高扩散能力的特点，通过二次喷丸时钢丸的打击力对表面损伤或者微裂纹产生压合修复的作用。具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
[0025]第二种工艺:[0026](I)对钛合金表面采取高能纳米化喷丸，以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，具体的喷丸参数为钢丸直径1mm，喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mni ；
[0027](2)表面二次修复喷丸处理，对经过步骤I喷丸的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
[0028](3)对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数在热处理温度150-450°C，保温时间50-70min条件下修复；[0029](4)表面二次喷丸处理，对经过步骤(3)修复的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
[0030]本发明的实验结果如图1至图3所示，图1为钛合金原始组织及经高能喷丸后的
S-N曲线。其中RESP代表表面二次修复喷丸处理后，由图可知，其疲劳极限为460MPa，而经过2小时高能喷完后的疲劳极限为525MPa，疲劳极限比原始组织的只提高了 14.4%。
[0031]图2为经过高能喷丸后，分别在200°C、350°C和450°C加热温度下进行表面修复热处理+表面二次修复喷丸处理后的S-N曲线。其疲劳极限分别提高到了 588MPa、630MPa和658MPa。其中，450°C表面二次修复喷丸处理后的疲劳极限提高最大，与原始态的疲劳极限相比提高了 43.1%。结果表明，通过热机复合工艺纳米化方法的处理，钛合金的疲劳极限得到了显著的提高。
[0032]图3将钛合金原始组织及50°C表面二次修复喷丸处理后的S-N曲线相比较的结果。可见，本发明专利能够显著提高钛合金的疲劳极限，这将对提高钛合金的疲劳可靠性及推展其工程应用领域具有重要的作用。
[0033]下面列举具体实施例来进行说明:
[0034]实施例1:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间I小时，喷丸速度40米/秒，喷丸距离400mm ;表面损伤修复热处理温度150°C，保温时间50min，第二次喷丸处理，钢丸直径
0.5mm,喷丸时间20min,喷丸速度40米/秒。
[0035]实施例2:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间2小时，喷丸速度60米/秒，喷丸距离500mm ;表面损伤修复热处理温度300°C，保温时间60min，第二次喷丸处理，钢丸直径
0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度60米/秒。
[0036]实施例3:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间3小时，喷丸速度70米/秒，喷丸距离600mm ;表面损伤修复热处理温度450°C，保温时间70min，第二次喷丸处理，钢丸直径
0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度70米/秒。
[0037]实施例4:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间I小时，喷丸速度40米/秒，喷丸距离400mm ;第二次喷丸处理,钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min,喷丸速度40米/秒,表面损伤修复热处理温度150°C，保温时间50min，第三次喷丸处理，钢丸直径0.5mm，喷丸时间20min，喷丸速度40米/秒。
[0038]实施例5:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间2小时，喷丸速度60米/秒，喷丸距离500mm ;第二次喷丸处理，钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度60米/秒，表面损伤修复热处理温度300°C，保温时间60min，第三次喷丸处理，钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min,喷丸速度60米/秒。[0039]实施例6:第一次喷丸，钢丸直径1mm，喷丸时间3小时，喷丸速度70米/秒，喷丸距离600mm ;第二次喷丸处理，钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度70米/秒，表面损伤修复热处理温度450°C，保温时间70min，第三次喷丸处理，钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度70米/秒。
【权利要求】
1.提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法，其特征在于按照以下步骤进行: 步骤1:对钛合金表面采取高能纳米化喷丸，以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，具体的喷丸参数为钢丸直径1mm，喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mni ； 步骤2:对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数在热处理温度150-450°C，保温时间50-70min条件下修复； 步骤3:表面二次喷丸处理，对经过步骤2修复厚的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
2.提高钛合金疲劳强度的热机复合工艺纳米化的方法，其特征在于按照以下步骤进行: 步骤1:对钛合金表面采取高能纳米化喷丸，以较高的喷丸速度对钛合金表面进行长时间的喷丸，具体的喷丸参数为钢丸直径Imm,喷丸时间1-3小时，喷丸速度40-70米/秒，喷丸距离400-600mni ； 步骤2:表面二次修复喷丸处理，对钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20 min，喷丸速度40-70米/秒； 步骤3:对上述高能纳米化喷丸后的钛合金进行表面损伤修复热处理，利用钛合金纳米化表层组织所具有的极高的原子扩散系数在热处理温度150-450°C，保温时间50-70min条件下修复； 步骤4:表面二次喷丸处理，对经过步骤3修复后的钛合金表面，再进行一次喷丸处理，具体参数为:钢丸直径0.5mm,喷丸时间20min，喷丸速度40-70米/秒。
【文档编号】C22F1/18GK103834887SQ201410081374
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】温爱玲, 王生武, 闫秀霞, 杨军永, 李丽, 魏岩, 于文夫 申请人:大连交通大学