TC4钛合金喷丸强化组织与性能研究

钛和钛合金具有生物相容性好,高比强,耐腐蚀等优异性能,在化工、航空、航天、体育、医疗等领域得到广泛应用,但因其抗疲劳性能和耐磨性差,限制了其进一步的广泛应用,所以提高钛合金的抗疲劳性能具有重要的理论价值和社会效益。为了提高TC4钛合金的疲劳性能,本文采用机械喷丸工艺进行表面强化,并借助光学显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和力学性能测试等手段,对TC4钛合金喷丸强化后的微观组织及力学性能进行了研究。主要研究内容包括：(1)通过表面性能测试来综合评估“干喷丸”、“干+湿复合喷丸”、“湿喷丸”三种强化工艺中的最佳工艺方法；(2)研究湿喷丸工艺中喷丸气压、磨液比、覆盖率、靶距、角度等参数对材料表面性能的影响,制定出最佳湿喷丸工艺参数,以最大限度的提高TC4合金的抗疲劳性能；(3)对湿喷丸工艺下的微观组织进行机理分析,探索湿喷丸强化机理,为工程实践做好理论支撑。主要研究结果如下： 1.通过表面性能测试表明：(1)干喷丸所造成的表面损伤最大,复合喷丸次之,湿喷丸最小,其中干喷丸所造成的粗糙度是湿喷丸的几倍；(2)干喷丸所造成的表面残余应力值最小,但压应力层深最大,而湿喷丸压应力值最大,但应力层深最小,复合喷丸介于两者之间,同时湿、复合喷丸最大应力值在材料最表层,而干喷丸在次表层；(3)通过拉拉疲劳试验得出三种喷丸强化方式的条件疲劳极限为：原始试样的疲劳极限为605MPa,干喷丸的疲劳极限为500MPa,干+湿复合喷丸的疲劳极限为670MPa,湿喷丸的疲劳极限为680MPa,提高了12.4%,可以看出湿喷丸强化工艺对提高TC4钛合金的疲劳强度最为有效。 2.通过对湿喷丸微观组织的分析表明,湿喷丸使TC4钛合金表面晶粒严重细化,达到纳米级,晶粒尺寸在20～100nm,这对材料硬度和疲劳强度提高很有益。 3.通过对湿喷丸各工艺参数的对比表明,影响TC4钛合金疲劳性能最大的是：磨液比、气压和覆盖率,其中最佳磨液比为13：1,最佳喷丸气压为0.4MPa,最佳覆盖率为400%,另外最佳喷丸角度90°,最佳喷丸靶距150mm, 4.通过不同晶粒度TC4钛合金疲劳性能对比表明：10μm疲劳极限为605MPa,湿喷丸后提高到680MPa,3gm疲劳极限为640MPa,湿喷丸后提高到830MPa,表明晶粒越细,疲劳强度越好,湿喷丸强化效果越明显。