[发明专利]基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面强化以及激光加工技术，尤其是一种用于提高航空钛合金材料疲劳强度及其可靠性以及高温力学性能稳定性的温度辅助的激光喷丸强化方法及装置，具体地说是一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置。

背景技术

众所周知，钛合金因为具有强度高、密度小，耐蚀性好等优点而被广泛应用于航空航天、载运以及海洋工程等各个领域。但是钛及其合金，特别是航空钛合金的应力集中敏感性高，疲劳强度可靠性低以及高温力学性能稳定性差等问题一直得不到很好的解决，极大的限制了航空钛合金的应用范围。传统的强化手段，例如滚压以及激光喷丸等，在强化材料表面的同时也会出现表面深坑、应力集中和微裂纹等表面机械损伤，使得航空钛合金的疲劳强度数据表现出极大的分散性，并且无法提高其高温力学性能稳定性。因此，如何可靠的提高航空钛合金的疲劳性能以及高温力学性能稳定性已经成为国内外学者研究的焦点。

当前钛合金表面强化的手段主要有喷丸和滚压。

对于喷丸而言，目前常用的有机械喷丸和激光喷丸。机械喷丸是使用高速度的有质弹丸对材料表面进行冲击，从而实现表面强化。例如专利号为CN1334346A的专利申请提出了一种利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法，该方法利用高压空气向齿轮齿面投射大量的高速弹丸，实现齿轮齿面的强化。这种方法适合强化塑韧性较好的材料，但是对于航空钛合金等高硬度材料还有以下缺陷：（1）机械喷丸过程中，低速弹丸达不到理想的强化效果，高速弹丸又容易造成表面深坑、微裂纹等机械损伤，从而不能有效提高航空钛合金材料的疲劳强度；（2）机械喷丸的喷丸区域不易得到分布均匀的残余压应力，容易造成应力集中，降低疲劳强度的可靠性。激光喷丸是利用高能激光束与材料表面相互作用，金属表面吸收激光能量发生等离子爆炸产生冲击波，从而实现类似喷丸的强化效果。例如专利号为NO.4401477的美国专利提出了一种激光冲击工艺，介绍了一种用于金属零件表面改性的激光喷丸强化方法。该方法通过激光束与材料的相互作用可以实现极高应变率的塑性变形，从而显著提高金属表面的硬度，但是也有以下不足：激光喷丸由于极高的应变率会对航空钛合金材料产生极大的机械损伤，例如应力集中和微裂纹等，不利于航空钛合金材料的疲劳强度的进一步提高。

对于滚压而言，是利用滚刀在金属表面施加压力，从而在材料表面达到加工硬化的目的。例如专利号为CN101487079A的专利申请，提出了一种金属表面的加工工艺，该工艺采用滚压刀对金属表面进行滚压处理，达到增加金属表面硬度以及提高金属疲劳性能的目的。但是该方法还存在以下缺点：（1）滚压工艺对航空钛合金材料的强化效果较低，从而对其疲劳强度影响较小；（2）该工艺会在航空钛合金尖角以及边缘处产生极大的应力集中，不利于疲劳强度的进一步提高；（3）该工艺一般用于强化平面，不适宜复杂曲面的加工。

与本发明最接近的是专利号为CN101962710B以及CN101020946A的专利申请。专利号为CN101962710B的中国专利提出了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，该方法在使用连续激光器预热的基础上，利用脉冲激光器进行激光喷丸，从而实现对金属材料的表面强化。这种方法可以减轻激光喷丸对金属材料的机械损伤，一定程度上改善了硬脆材料的疲劳强度，但是也存在着缺点：（1）本方法仅仅考虑到温度对材料的软化效应，并没有考虑到动态应变时效的因素，因此不属于激光温喷丸的范围，也达不到激光温喷丸大幅提高材料疲劳强度的效果；（2）只能在一定程度上降低激光喷丸造成的材料损伤，没有达到修复的效果，因此疲劳强度提高不大，可靠性不高；（3）装置复杂，不易操作，成本较高。专利号为CN101020946A的专利申请提出了一种利用机械喷丸强化提高钛金属疲劳强度的方法，该方法在传统喷丸的基础上，再进行二次细化喷丸，在保持一定残余压应力的基础上，降低损伤程度，使材料的疲劳强度获得提高。这种方法可以在一定程度上提高钛金属材料的疲劳强度，但是也有不足：（1）该方法采用的传统的机械喷丸，在金属表面产生的残余压应力不大，且应变率较低，疲劳强度提高的幅度不大；（2）由于有质弹丸速度不均匀，喷丸区域残余压应力不均匀，容易造成应力集中，限制了疲劳强度的提高；（3）传统机械喷丸的工艺参数可控性较差，在受喷表面的覆盖率及其均匀性难以控制，导致被喷丸零件的力学性能波动较大；（4）传统机械喷丸产生的残余压力和微观组织结构在高温和交变载荷作用下并不稳定，易产生松弛释放现象，导致使用寿命增益有限。