本发明属于钛合金表面强化领域，特别涉及一种tc4合金表层梯度纳米结构的高能喷丸制备方法。
背景技术：
强度与韧性作为先进金属结构材料的核心力学性能决定着材料在工程应用中的使役行为，往往两者不可兼得。与传统粗晶金属材料相比，纳米金属材料具有晶粒尺寸小、界面密度高等特点，表现出高强度和硬度、良好的耐磨性及较大的扩散系数等优异性能。但是，伴随着强度及其他性能的显著提高，纳米金属材料的韧性急剧降低，即强度和韧性呈倒置关系。应用机械处理方法，实现金属材料表层纳米结构梯度化，获得晶粒尺寸沿深度方向由纳米尺度连续增大的梯度结构，可以改善甚至消除纳米金属材料强度和韧性的倒置关系。梯度纳米结构使金属材料在具备良好强韧性匹配关系的同时还可充分发挥纳米晶的其他性能优势。tc4合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等特点，在航空航天领域主要用于制造发动机的风扇、压气机盘及叶片。为了满足高减重、高可靠、长寿命和低成本的设计与应用需求，新一代飞机和高性能发动机对tc4合金的强韧性等综合力学性能提出了更加严苛的要求，应用表层梯度纳米结构理念将使优化和提高钛合金的综合力学性能和使役行为成为可能。
文献1“闫秀侠，高能喷丸表面纳米化对tc4合金疲劳性能的影响，大连交通大学硕士学位论文，2009，27～30”报道了采用履带式抛丸机在弹丸速度为50m/s和时间为8h下于tc4合金表层制备出平均晶粒尺寸为18nm的纳米结构。结果发现，该方法制备的tc4合金表层变形不均匀，无明显梯度结构存在，且在高能喷丸后表层存在裂纹等缺陷。
文献2“s.kumar，k.chattopadhyay，s.r.singh，v.singh，surfacenanostructuringofti-6al-4valloythroughultrasonicshotpeening，internationaljournalofsurfacescienceandengineering，2017，11：23～35”报道了采用超声喷丸方法在超声频率为20hz、辊子直径为3mm和时间为30min下于tc4合金表层制备出纳米结构。结果发现，该方法制备的tc4合金纳米结构表层与基体存在明显界面，未获得在沿深度方向上晶粒尺寸连续渐变的梯度纳米结构。
上述方法虽然在tc4合金表层获得了纳米结构，但制备的表层纳米结构与基体之间的晶粒尺寸非连续过渡，不能实现基于表层纳米结构的tc4合金强韧化目标，制约了其可靠应用。
技术实现要素：
为了克服现有方法制备的tc4合金表层纳米结构与基体之间晶粒尺寸非连续过渡的不足，本发明提供一种tc4合金表层梯度纳米结构的高能喷丸制备方法。该方法通过对去应力退火的tc4合金进行高能喷丸处理，基于高密度弹丸飞离喷枪时的伞状分布并结合喷枪的水平往复运动，实现大量弹丸以不同角度高速撞击tc4合金表面，进而在tc4合金表层发生往复剧烈塑性变形，其应变和应变速率随着距喷丸表面深度的增大而逐渐减小，最终在tc4合金表层制备出梯度纳米结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种tc4合金表层梯度纳米结构的高能喷丸制备方法，其特点是包括以下步骤：
(a)对tc4合金进行去应力退火处理，退火温度为600～650℃，保温时间为60～90min，空冷至室温；
(b)采用600#水砂纸研磨tc4合金待喷丸表面，并用无水乙醇进行超声波清洗；
(c)将tc4合金置于气动式喷丸机的工作台上，使喷枪与tc4合金在运动方向上水平相距15～20mm，垂直相距300～500mm；
(d)采用ash230弹丸对去tc4合金进行高能喷丸处理，弹丸流量为10～12kg/min，喷枪水平移动速率为10～15mm/min，喷枪往复运动7～9次，空气压力为0.35～0.45mpa。
本发明的有益效果是：该方法通过对去应力退火的tc4合金进行高能喷丸处理，基于高密度弹丸飞离喷枪时的伞状分布并结合喷枪的水平往复运动，实现大量弹丸以不同角度高速撞击tc4合金表面，进而在tc4合金表层发生往复剧烈塑性变形，其应变和应变速率随着距喷丸表面深度的增大而逐渐减小，最终在tc4合金表层制备出梯度纳米结构。本发明采用高能喷丸法控制tc4合金表层在沿深度方向上发生应变和应变速率逐渐减小的变形，制备出tc4合金表层梯度纳米结构。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实例1制备的tc4合金横截面扫描电镜照片。
图2是本发明方法实例1制备的tc4合金表层纳米结构的透射电镜明场照片。
图3是本发明方法实例1制备的tc4合金表层纳米结构的透射电镜暗场照片。
图4是本发明方法实例1制备的tc4合金表层纳米结构的晶粒尺寸统计结果图。
图5是本发明方法实例1制备的tc4合金的初生α相晶粒尺寸随着距喷丸表面深度的变化图。
具体实施方式
以下实施例参照图1-5。
实施例1：
(a)对tc4合金试样进行去应力退火处理，退火温度为600℃，保温时间为60min，空冷至室温；
(b)采用600#水砂纸研磨tc4合金待喷丸表面，并用无水乙醇进行超声波清洗；
(c)将tc4合金置于气动式喷丸机的工作台上，使喷枪与tc4合金在运动方向上水平相距15mm，垂直相距300mm；
(d)采用ash230弹丸对去tc4合金进行高能喷丸处理，弹丸流量为10kg/min，喷枪水平移动速率为14mm/min，喷枪往复运动7次，空气压力为0.35mpa。
图1是实例1制备tc4合金的横截面扫描电镜照片。由图1可以看出，tc4合金表层发生明显塑性变形，tc4合金在沿深度方向上晶粒由晶界不可分辨逐渐过渡至无变形的基体。图2～4是实例1制备tc4合金表层纳米结构的透射电镜照片。从图2～4可以看出，tc4合金表层晶粒已细化为纳米晶，平均晶粒尺寸为68.4nm。图3是实例1制备tc4合金的初生α相晶粒尺寸随着距喷丸表面深度的变化。从图3可以看出，tc4合金初生α相晶粒尺寸在沿深度方向上逐渐增大，呈梯度变化。由此可以确定，采用本发明方法在tc4合金表层制备出梯度纳米结构。
实施例2：
(a)对tc4合金试样进行去应力退火处理，退火温度为630℃，保温时间为75min，空冷至室温；
(b)采用600#水砂纸研磨tc4合金待喷丸表面，并用无水乙醇进行超声波清洗；
(c)将tc4合金置于气动式喷丸机的工作台上，使喷枪与tc4合金在运动方向上水平相距18mm，垂直相距400mm；
(d)采用ash230弹丸对去tc4合金进行高能喷丸处理，弹丸流量为11kg/min，喷枪水平移动速率为15mm/min，喷枪往复运动8次，空气压力为0.40mpa。
实施例3：
(a)对tc4合金试样进行去应力退火处理，退火温度为650℃，保温时间为90min，空冷至室温；
(b)采用600#水砂纸研磨tc4合金待喷丸表面，并用无水乙醇进行超声波清洗；
(c)将tc4合金置于气动式喷丸机的工作台上，使喷枪与tc4合金在运动方向上水平相距20mm，垂直相距500mm；
(d)采用ash230弹丸对去tc4合金进行高能喷丸处理，弹丸流量为12kg/min，喷枪水平移动速率为10mm/min，喷枪往复运动9次，空气压力为0.45mpa。