复合喷丸:复合喷丸提高等轴状TC4钛合金的疲劳性能
发布日期:2021/7/26 11:42:16

表面剧烈塑性变形是表面纳米化的一种重要方法,对金属表面进行剧烈的塑性变形,在其表面形成纳米晶层、硬化层和残余压应力层,可以明显提高其疲劳强度。但同时剧烈塑性变形会造成金属表面损伤和表面粗糙度增加,这对疲劳寿命又无疑是致命的危害,因为疲劳源往往产生于构件的表层或次表层。尤其是具有密排六方结构而独立滑移系较少的钛及其合金,剧烈的塑性变形会使表面损伤更加严重。这对于使用钛及其合金制造的机械、航空航天等高速载运工具等是亟待解决的问题,所以研究提高钛及其合金的疲劳强度及其可靠性方法成为目前国内外关注的课题之一。笔者近年来进行了高能喷丸剧烈塑性变形对工业纯钛及其合金表面纳米化和纳米化后疲劳强度的试验研究。研究发现,高能喷丸可以有效地提高工业纯钛及其合金的疲劳强度。同时,高能喷丸塑性变形造成的表面损伤和表面粗糙度增加,又阻碍了疲劳强度提高的效果,围绕这一问题,笔者提出了修复表面损伤和降低表面粗糙度的复合喷丸工艺,并在工业纯钛上取得了一定的成效。

钛合金由密排六方的a-Ti相和体心立方的β-Ti相组成,因密排六方结构和体心立方结构的变形机制不同,强烈塑性变形会导致两相组织变形的不均匀。另外钛合金的强度和硬度高于纯钛,高能喷丸塑性变形会造成更严重的损伤,由于这些因素都将严重影响钛合金的疲劳性能,所以研究修复喷丸损伤,提高钛合金的疲劳强度尤为重要。笔者以等轴状TC4钛合金为对象,研究了高能喷丸的表面损伤,以及复合喷丸的损伤修复对疲劳性能的影响。

1、试样制备与试验方法

试验材料为φ2mm的等轴状TC4钛合金,其化学成分(质量分数/%)为:5.5~6.8A1,3.5~4.5V,≤0.30Fe,≤0.10Si,≤0.10C,≤0.05N≤0.015H,≤0.200,余Ti。

疲劳试样的形状及尺寸如图1所示,为旋转弯曲带缺口的圆棒试样,缺口半径R=5mm,缺口应力集中系数的有限元计算结果为Kt=1.27。

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为了消除残余应力和组织不均匀性,试样加工前在真空炉内(1×10-3Pa)进行了760℃×60min的真空退火处理。按图1所示要求进行机加工,然后用小mm的铬钼合金弹丸,以v=50m·s-1的速率分别喷丸2h和8h(以下分别用HESP2和HESP8表示)。

为了修复表面喷丸损伤和降低试样的表面粗糙度,对高能喷丸8h后的试样再用φ0.5mm的铬钼合金小弹丸喷丸20min,进行二次修复喷丸(复合喷丸试样用RESP表示)。同时,还制备了一组未喷丸的退火态试样(以下称A试样)。

对图1尺寸形状的等轴状TC4钛合金试样进行旋转弯曲疲劳试验,加载应力用试样缺口根部承受的公称应力σ。计算,计算公式如下:

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式中

Q——试验载荷,包括砝码与拉杆部分的重力之和,本试验机拉杆部分重力为120N;

a——跨距,即旋转弯曲疲劳试验机枢轴上两轴承中心轴线之间的距离,本试验机为100mm;

d——旋转弯曲疲劳缺口试样缺口根部直径,mm。

最后采用单样条法将得到的疲劳试验数据绘制成应力一循环周次(S-N)曲线。使用 ZYGO Newview5000型表面形貌仪测试疲劳试样的表面粗糙度,使用扫描电镜观察疲劳试样的表面形貌及疲劳试验后的断口形貌。

2试验结果与讨论

图2为HESP2,HESP8,RESP试样表面的扫描电镜形貌。可见高能喷丸2h和8h试样的表面状态变化不大,修复喷丸20min后,试样表面质量明显变好,表面的起皮或脱落或被压平。试样表面粗糙度测试结果也表明,高能喷丸使试样表面粗糙度增加,但随着高能喷丸时间的延长其表面粗糙度变化不大。未喷丸时试样表面粗糙度Ra=3.42μm,高能喷丸2h时Ra=3.7l μm,高能喷丸8h时Ra=3.73μm,高能喷丸8h后再修复喷丸使试样表面粗糙度明显减小,此时Ra=2.991m。可见粗糙度测试后果与扫描电镜观察结果一致。

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图3是等轴状TC4钛合金不同喷丸状态试疲劳试验的S-N曲线,可见退火状态试样(A)的疲劳强度为485MPa,高能喷丸2h试样(HESP2的疲劳强度提高到555MPa,高能喷丸8h试样(HESP8)的疲劳强度提高到580MPa,表面修复喷丸处理后,试样的疲劳强度又从高能喷丸8h时的580MPa提高到650MPa,提高了70MPa,提高幅度约为12%,比退火状态试样的疲劳强度提高了165MPa,提高幅度约为34%。可见对于疲劳强度相对较高的等轴状TC4钛合金,高能喷丸以及修复喷丸对其疲劳强度的提高效果均较为显著。

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TC4钛合金具有密排六方和体心立方结构,密排六方的塑性变形能力较差,且需要大量的孪晶变形参与塑性变形等特点,是其疲劳性能对试样表面状态比较敏感,且疲劳试验数据较分散、可靠性较低的主要原因。因此可以认为,TC4钛合金表层晶体的纳米化、晶界的增多可以改善其塑性变形能力。

试验研究发现,高能喷丸一定时间后在试样表层形成一定厚度的硬化层和纳米层,随着喷丸时间的延长,硬化层厚度的增加变得很缓慢,即高能喷丸时间达到某一值后,试样表面的硬化层和纳米层厚度达到了一个相对稳定值。在纳米硬化层形成定深度后,试样表面残余压应力数值和分布都将保持稳定不变。而关于二次修复喷丸的作用,由于其弹丸尺寸小且喷丸时间较短,因此认为可以忽略二次修复喷丸对试样纳米表层组织结构、加工硬化以及表层残余应力状态的影响。而主要的影响在于对表面损伤的修复和表面粗糙度的降低。由此可知,复合喷丸有效地改善了试样表面喷丸损伤和粗糙度等表面质量,从而更有效地发挥了表层纳米组织的作用,这是复合喷丸明显提高TC4钛合金疲劳强度的主要原因。由前期的研究可知,高能喷丸表层纳米化提高钛及其合金疲劳强度的主要原因是表层纳米组织、加工硬化和残余压应力的作用,而表面损伤和表面粗糙度增加是危害其疲劳强度的直接因素这与该文试验结果相一致。

图4为不同喷丸状态接近疲劳强度试样的疲劳断口扫描电镜形貌。

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由图4(a)可见,A试样的疲劳裂纹源位于试样表面,因为未喷丸圆棒试样的最大工作应力在试样表面。HESP2和HESP8试样的疲劳裂纹源一部分产生于试样次表层,如图4(b)所示,这是由于高能喷丸剧烈的塑性变形,在试样表层一定厚度内产生硬化层、压应力层和纳米层,使最大工作应力从试样表面移到了次表层,而在试样次表层这三个提高疲劳强度的效果减小,尤其是残余压应力不仅减少,还有可能转变为拉应力,所以次表层变为薄弱环节在循环载荷的作用下,在试样次表层处产生疲劳裂纹源。同时由于喷丸给试样表面带来了一定的损伤,一部分HESP2和HESP8试样的疲劳裂纹源依然产生于试样表面,如图4(c)所示。其中,高能喷丸8h后,试样表面损伤更严重,因而疲劳裂纹源大多产生于试样表面。对于RESP试样断口,疲劳裂纹源几乎都位于试样次表层,而且离试样表层的距离比较远,如图4(d)所示。说明复合喷丸使高能喷丸在试样表面造成的损伤部分得到了修复。

如果疲劳裂纹源位于试样次表层,因为次表层没有喷丸损伤,而且变形受到较大的约束力,因此相同条件下疲劳裂纹源产生于次表层时材料的疲劳强度往往高于疲劳裂纹源产生于表面时材料的疲劳强度。所以疲劳裂纹源的形成部位对疲劳强度影响很大,而改变疲劳裂纹源位置的主要因素是喷丸残余应力。因高能喷丸一定时间后,试样表面残余压应力的数值将保持稳定不变∞-10。复合喷丸时的弹丸尺寸小,而且喷丸时间短,以此判定复合喷丸对残余压应力层厚度影响不大。从断口形貌看,复合喷丸的疲劳裂纹源之所以大多数从试样表面转移到了次表层,不是残余压应力发生了变化,而是通过二次修复喷丸提高了试样表面质量造成的。从表面粗糙度分析,复合喷丸使试样表面粗糙度由高能喷丸8h的3.73μm降低到2.99μm,说明试样表面质量有一定幅度的提高。与纯钛相比,TC4钛合金较硬,更容易产生喷丸损伤,所以修复损伤尤为重要。由以上分析得出,复合喷丸提高等轴状TC4钛合金疲劳强度的主要原因是其修复了试样表面的高能喷丸损伤,降低了试样的表面粗糙度。

3结论

(1)复合高能喷丸表层纳米化使等轴状TC4钛合金的疲劳强度与未喷丸状态相比提高了34%,在单纯高能喷丸纳米化方法的基础上进一步提高了12%。

(2)复合高能喷丸表层纳米化提高等轴状TC4钛合金疲劳强度的主要原因是其中的修复喷丸能有效地改善高能喷丸对试样表面造成的损伤,降低试样的表面粗糙度,因而能够更有效地发挥表层纳米组织提高疲劳强度的作用。



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