[發明專利]預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法

無效

• 申請號: 201110297223.5
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102505068A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 姜傳海;謝樂春;馮強;詹科
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C21D7/06
• 分類號: C21D7/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

技術領域

本發明涉及一種材料表面處理的方法，尤其是涉及一種利用預應力噴丸的方法來改善鈦基復合材料的表面性能。

背景技術

基于優異的綜合性能，鈦基復合材料一直被認為是新一代的金屬基復合材料，但其表面性能還需要進一步的改善和提高。表面性能主要包含表面應力和組織結構。從表面應力方面分析，組件在機械加工或表面處理后，或多或少會引入殘余應力，如果表面出現殘余拉應力，會導致微裂紋的萌生和擴展，從而形成開裂，使材料的疲勞性能降低；如果表面出現殘余壓應力，則能夠抵消全部或者部分外加拉應力，使材料的疲勞性能得以提高。從表面組織結構分析，如果表面晶塊尺寸較小，硬度很大，這樣可以提高材料的表面耐磨性。噴丸處理是金屬材料重要的表面強化手段，通過在材料表層引入殘余壓應力場和細化晶粒層，可以改善金屬材料的表面性能，是工業中較為常用的表面處理方法。噴丸后表面性能的重要參數有表面殘余壓應力值、最大殘余壓應力值及其對應層深，和表面顯微硬度。

經對現有技術文獻的檢索發現，Xue，L.等人在會議論文“A?survey?of?surface?treatments?to?improve?the?fretting?fatigue?resistance?of?Ti-6Al-4V”(Proc.Conf.Computer?Methods?and?Experimental?Measurements?for?Surface?Treatment?Effects，Milan，Italy，7-9June?1995，pp.265-272)中介紹了三類表面處理的方法，主要包括傳統噴丸處理，原子滲透，表面涂層。在這三類方法中，雖然提到傳統噴丸處理能夠更好的提高材料表面的磨損疲勞性能，但是無法使殘余壓應力達到最佳的分布狀態，得到的殘余壓應力局部還會處于不穩定狀態，在外加應力和加熱過程中容易松弛，不能適應現代生產日益增長的對材料高性能的要求，因而需要尋求新的噴丸方法和工藝，以進一步提高材料的表面性能。另外，目前對鈦基復合材料的噴丸研究還很少，尤其對表面性能的系統研究，都需要改進和完善。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種顯著優化材料表層殘余壓應力分布，提高殘余壓應力總體層深，細化表層晶塊尺寸，大幅度提高表層硬度的預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

預應力噴丸改善鈦基復合材料表面性能的方法，包括以下步驟：

(1)噴丸前預應力的加載：預加應力為拉應力，加載大小應小于材料的屈服強度的一半，預應力的加載方式為三點彎曲加載。

工作原理：預應力噴丸是在傳統噴丸的基礎上預先對材料施加拉應力，噴丸后預應力未卸載時，材料表層應力狀態和未施加預應力時噴丸表層應力狀態相同。當預加的拉應力卸載后，由于材料整體的彈性回復，噴丸殘余壓應力會大幅度提高。在預應力噴丸前，預加拉應力的臨界值為0.5倍材料屈服強度，當預應力小于臨界值時，殘余壓應力的提高與預應力成正比，隨著預應力的增加而提高，材料也不會發生塑性變形，而當預應力超過臨界值時，由于在卸載過程中產生了反向局部塑性變形，必然造成殘余應力松弛和局部塑性變形，噴丸殘余應力反而呈遞減趨勢。因此預應力的加載大小應小于材料屈服強度的一半。通過三點彎曲方式加載預應力，可以通過改變凸面曲率調節拉應力的大小，方法簡單有效，實現起來也比較容易。

(2)噴丸參數的選擇：噴丸處理的參數一般包括噴丸方式，噴丸強度，噴丸時間和噴丸彈丸。噴丸方式采用氣動式噴丸設備；噴丸強度需要根據材料具體選擇，噴丸強度通常用Almen試片弧高(mmA)表示，對于鈦基復合材料，選擇介于0.2～0.5mmA的噴丸強度；噴丸時間0.5～1.5分鐘；所用的噴丸彈丸分為鑄鋼丸(大直徑，硬度較小)和陶瓷丸(小直徑，硬度較大)，可根據具體噴丸材料和噴丸條件進行選擇，鈦基復合材料的預應力噴丸，選擇陶瓷丸。