[发明专利]铝合金及其复合材料的表面强化方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面强化技术领域，特别涉及一种铝合金及其复合材料的表面强化方法。

背景技术

铝合金及其复合材料具有密度小、比强度高、比刚度高、抗疲劳和蠕变性能良好、耐腐蚀等优良性能，经常作为首选的轻量化结构材料应用于航空航天、汽车工业等领域。

喷丸强化是一种能够有效提高零部件抗疲劳性能的重要手段，它可以在金属表面形成一残余压应力层，能够防止和延缓疲劳裂纹的萌生和扩展，提高零部件的疲劳寿命。另外表面残余压应力还可以使零部件耐磨性能增强，能够有效地防止应力腐蚀，提高其腐蚀疲劳寿命。

铝合金及其复合材料作为一种航空航天用关键承载结构件，其表面质量对其疲劳寿命影响非常敏感。传统的表面强化处理方法仅仅是把经过塑性成形的零部件直接进行喷丸处理，中间不经过任何环节的处理。但实际上零部件在塑性成形结束后表面会残留很多润滑剂(如石墨等)，以及在塑性成形环节中引入的其它杂质(如铁屑等)，若零部件形状复杂则可能产生很多折叠、凹坑等锻造缺陷，仅通过单一的喷丸处理无法完全清除上述杂质和缺陷，甚至会把一些杂质压进锻件表层，为疲劳裂纹的萌生提供优越条件，锻件的疲劳寿命会随之降低。因此，获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，该表面强化方法强化层更加洁净、成本低、生产效率高，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。

一种铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法，包括下述步骤：

(1)对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，砂子粒径为70～200μm，清理表面润滑剂、污染杂质和折叠缺陷等；

(2)对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入氢氧化钠水溶液中浸泡，然后清水冲洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水冲洗，最后吹干，去除表面喷砂痕迹：

(3)对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，弹丸采用球形玻璃丸，粒径为70～200μm，形成压应力层。

对于承载结构件而言，零部件表面质量好坏会显著影响其疲劳寿命，表面质量好、存在压应力强化层则其疲劳寿命较长，所以获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层尤为重要。

本发明中，首先对铝合金及其复合材料零部件进行喷砂处理，利用砂子较好的切削能力来清理在塑性成形阶段引入表面的润滑剂、污染杂质或折叠缺陷等，砂子粒径为70～200μm，喷射距离为10～40cm，气体压力0.2～1MPa，粒径太小或太大的砂子切削能力差、喷砂效率低。

然后，对铝合金及其复合材料零部件进行腐蚀处理，首先放入质量浓度为10%～20%、温度为50～80℃的氢氧化钠水溶液中浸泡，浸泡时间为5～15min后清水冲洗，然后放入质量浓度为5%～10%、温度为室温的硝酸溶液中浸泡，浸泡时间为1～3min后清水冲洗，再吹干；去除表面喷砂痕迹。喷砂处理后，材料表面会产生很多砂子留下的短划痕(见图2(a))，这种表面非常有利于疲劳裂纹萌生，会极大地降低零部件的使用寿命，所以采用价格低廉、操作简单的氢氧化钠溶液将其腐蚀清除，再采用硝酸溶液中和残留的氢氧化钠溶液，最终获得一个光滑、洁净的表面。

最后，对铝合金及其复合材料零部件进行喷丸处理，产生一个洁净的压应力层，弹丸选用球形玻璃丸，粒径为70～200μm，喷射距离为10～40cm，气体压力0.2～1MPa。

本发明的表面强化方法可广泛应用于2XXX系和6XXX系铝合金及其复合材料的铸件和模锻件。

本发明的铝合金及其复合材料零部件的表面强化方法的优点为：该方法成本低、生产效率高、可获得一个洁净、有残余压应力的表面强化层，具有强化层更加洁净、成本低及生产效率高的特点，可以显著提高材料的抗疲劳性能、耐磨性能等机械性能。

下面通过具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是铝合金及其复合材料零部件的表面强化工艺流程简图。

图2(a)是15vol.%SiC_p/2009Al复合材料锻件喷砂后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大400倍)。

图2(b)是15vol.%SiC_p/2009Al复合材料锻件腐蚀后显微组织照片(日立S-4800型冷场发射扫描电镜，放大400倍)。