專利名稱：：鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法，屬于金屬材料的表面處理與改性
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：近年來，在航空、航天和船舶等領(lǐng)域，鈦合金使用越來越廣泛，而對(duì)鈦合金材料性能的要求也越來越高，但是鈦合金材料表面敏感性和與應(yīng)力集中敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，極大制約了其強(qiáng)度潛力的發(fā)揮。噴丸、擠壓和滾壓等傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)在通過外力使得材料表面發(fā)生彈塑形變，在表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，從而降低材料的表面應(yīng)力集中敏感性，提高材料的抗疲勞性能。但是這些傳統(tǒng)工藝不易精確控制，容易造成過度強(qiáng)化，不僅無法達(dá)到強(qiáng)化效果，甚至成為弱化因素。脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化技術(shù)是通過電子束的沖擊，在材料表層和次表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，提高材料的抗疲勞性能和表面硬度，達(dá)到強(qiáng)化的目的。與傳統(tǒng)工藝相比，脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化技術(shù)可通過對(duì)能量密度、脈沖次數(shù)和脈沖寬度等參數(shù)的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)精確控制，實(shí)現(xiàn)最佳強(qiáng)化效果。但目前尚未在鈦合金表面強(qiáng)化處理上得到應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計(jì)提供了一種鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法，其目的是將脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法應(yīng)用到鈦合金材料上，通過對(duì)能量密度、脈沖次數(shù)和脈沖寬度等參數(shù)的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)精確控制，實(shí)現(xiàn)最佳強(qiáng)化效果。強(qiáng)化后在材料表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，并顯著提高其表面顯微硬度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的-該種鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法，該方法的步驟是-(1)工件的準(zhǔn)備對(duì)工件進(jìn)行吹砂處理，然后將工件放在510%水基清洗劑溶液的超聲波清洗機(jī)中清洗1020min，用清水漂洗干凈，工件表面應(yīng)有均勻水膜附著，否則應(yīng)重新清洗，清洗后脫水、吹干、真空干燥；(2)工件的裝掛-工件從真空干燥箱中取出后，裝在夾具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P〈6.67Xl(TPa，啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓；(3)對(duì)所需處理的材料表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化主要參數(shù)范圍能量密度515J/cm夂脈沖寬度1030]iS，脈沖次數(shù)1530次;(4)開真空室，檢驗(yàn)工件表面質(zhì)量。脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法可以在鈦合金材料表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)于疲勞強(qiáng)度受控于疲勞裂紋源萌生的鈦合金材料，該應(yīng)力場(chǎng)通過改變?cè)吹拿壬恢脕硖岣咂淦谛阅?。脈沖電子束沖擊強(qiáng)化后在材料表面形成強(qiáng)化層，提高材料的抗疲勞性能和表面硬度，達(dá)到強(qiáng)化的目的。圖1為納米壓痕儀加載曲線圖2為TC4-1鈦合金硬度分布具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述-采用本發(fā)明技術(shù)方案對(duì)對(duì)鈦合金材料(TC4)進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，提高材料的力學(xué)性能。采用脈沖電子束沖擊強(qiáng)化設(shè)備對(duì)鈦合金材料進(jìn)行強(qiáng)化處理的具體步驟如下采用本發(fā)明技術(shù)方案對(duì)TC4材料進(jìn)行脈沖電子束強(qiáng)化處理，并對(duì)強(qiáng)化后的試樣進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)定和顯微硬度測(cè)定。采用脈沖電子束設(shè)備對(duì)鈦合金材料進(jìn)行處理的具體步驟如下1開機(jī)啟動(dòng)設(shè)備，加載高壓。2工件2.1處理檢査檢查工件表面質(zhì)量，進(jìn)行吹砂處理。2.2清洗a.將工件放在510%水基清洗劑溶液的超聲波清洗機(jī)中清洗1020min;b.用清水漂洗干凈(干凈葉片表面應(yīng)有均勻水膜附著，否則應(yīng)重新清洗)，脫水，吹干；C.真空干燥。2工件裝掛a.對(duì)真空千燥箱充氣，取出工件；b.將工件裝于夾具上；C.將裝有工件的夾具裝于真空室的工位上。3沖擊工件3.1真空室的真空度P〈6.67X10—3Pa時(shí)，進(jìn)行沖擊處理TC4-l試樣采用的工藝參數(shù)為能量密度10J/cm2，脈沖寬度30us，脈沖次數(shù)15次；3.2開真空室確定真空計(jì)及高閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，向真空室充氣。3.3抽真空a.關(guān)真空室門，開低閥；b.真空度P〈4.5Pa時(shí)，開高閥。4檢査表面質(zhì)量殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果強(qiáng)化前202.9MPa(拉應(yīng)力)；強(qiáng)化后-101.9MPa(壓應(yīng)力)。說明強(qiáng)化前，材料表面是熱處理和機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，而在疲勞過程中，殘余拉應(yīng)力與外加載荷疊加，提高了有效載荷，損害材料的疲勞性能；強(qiáng)化后，表面拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力產(chǎn)生與拉應(yīng)力相反的作用，能夠有效提高材料的疲勞性能。納米壓痕試驗(yàn)采用Tribolndenter型納米壓痕儀進(jìn)行硬度測(cè)量。該壓痕儀采用壓頭。其他試驗(yàn)參數(shù)為最大載荷為1000nN，加載和卸載速率為100Nn/s，最大載荷處持續(xù)加載10s。加載曲線如下圖1所示。圖2所示為經(jīng)過脈沖電子束強(qiáng)化處理過的TC4鈦合金材料試樣顯微硬度沿層深的分布，表1給出了TC4-1試樣截面硬度變化情況表lTC4-1試樣截面硬度變化情況<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>如圖2所示，結(jié)合表l中的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過脈沖電子束強(qiáng)化處理后，材料表面硬度得到了顯著提高，強(qiáng)化層深度為55um。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案有以下幾方面優(yōu)點(diǎn):(1)強(qiáng)化工藝參數(shù)可精確控制；(2)在材料表面引入殘余壓應(yīng)力；(3)提高表面硬度；(4)提高疲勞性能。權(quán)利要求1.鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法，其特征在于該方法的步驟是(1)工件的準(zhǔn)備對(duì)工件進(jìn)行吹砂處理，然后將工件放在5～10％水基清洗劑溶液的超聲波清洗機(jī)中清洗10～20min，用清水漂洗干凈，工件表面應(yīng)有均勻水膜附著，否則應(yīng)重新清洗，清洗后脫水、吹干、真空干燥；(2)工件的裝掛工件從真空干燥箱中取出后，裝在夾具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10-3Pa，啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓；(3)對(duì)所需處理的材料表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化主要參數(shù)范圍能量密度5～15J/cm2，脈沖寬度10～30μs，脈沖次數(shù)15～30次；(4)開真空室，檢驗(yàn)工件表面質(zhì)量。全文摘要本發(fā)明涉及一種鈦合金材料的脈沖電子束沖擊表面強(qiáng)化方法，該方法的步驟是(1)工件的準(zhǔn)備對(duì)工件進(jìn)行吹砂處理和清洗處理；(2)工件的裝掛將工件放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6.67×10-3Pa；(3)對(duì)所需處理的材料表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化主要參數(shù)范圍能量密度5～15J/cm²，脈沖寬度10～30μs，脈沖次數(shù)15～30次；(4)開真空室，檢驗(yàn)工件表面質(zhì)量。本發(fā)明涉及使用脈沖電子束沖擊強(qiáng)化設(shè)備對(duì)鈦合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，強(qiáng)化后可在材料表層和次表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，其中表面殘余壓應(yīng)力達(dá)到-101.9MPa，強(qiáng)化后可顯著鈦合金材料的疲勞性能和表面硬度。文檔編號(hào)C22F1/18GK101550524SQ20091014322公開日2009年10月7日申請(qǐng)日期2009年5月21日優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日發(fā)明者宋穎剛,湯智慧,強(qiáng)王,欣王,峰陸,高玉魁申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院