高能喷丸表面纳米化对TC4合金疲劳性能的影响

钛合金由于具有高的比强度、优良的耐蚀性和良好的高温性能等优点,在现代航空航天、军事和民用工业中得到日益广泛的应用。其中Ti-6Al-4V(TC4)合金应用最为广泛,占整个钛合金的50%以上。材料或构件在使用过程中,常受到多次重复变化的载荷作用,应力水平虽然没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,即材料发生了疲劳破坏。所以采用有效的工艺手段提高钛合金的疲劳强度在工业生产中有着重要的意义。 通过普通喷丸和滚压等手段可以在一定程度上提高金属疲劳强度。卢柯等提出了通过高能喷丸实现材料的表面纳米化的技术,高能喷丸技术具有操作简单、耗能少、效率高、适用面广等优点。本文的目的就是通过高能喷丸强化工艺实现TC4钛合金表面纳米化,并研究表面纳米化对TC4疲劳强度的影响。 本试验采用高能喷丸强化工艺,对等轴状和层片状TC4合金进行表面纳米化处理,测试其旋转弯曲疲劳极限,通过X-射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪等手段,对高能喷丸表面纳米化后的试样进行分析,通过扫描电镜对断口形貌进行了观察与分析,结论如下: (1)采用的喷丸工艺参数:高能喷丸采用Φ1.0mm的铬钼合金钢丸,弹丸速度为50m/s,喷丸时间为2h和8h;复合喷丸采用Φ0.5mm的铬钼合金钢丸,弹丸速度为50m/s,喷丸时间为30min。 (2)高能喷丸强化工艺可以在TC4合金表面制备出一定厚度的纳米层,纳米尺寸可达到20nm。 (3)高能喷丸强化使材料表面的硬度提高,出现硬化层。高能喷丸强化使材料的表层的硬度明显高于基体,且喷丸时间越长,材料的硬度越高。 (4)高能喷丸强化明显提高等轴状TC4合金的疲劳强度,可能是由于高能喷丸造成的损伤严重使层片状TC4钛合金的疲劳极限降低。 (5)材料表面纳米硬化层和残余压应力对材料疲劳强度的提高起积极作用,而表面粗糙度和损伤对疲劳极限的提高起负面作用。在喷丸过程中造成了不可修复的损伤,严重影响材料的疲劳极限。 (6) RESP改善了材料表面的粗糙度,部分修复了表面损伤,使TC4钛合金的疲劳强度有所提高。