[发明专利]一种TC4合金表面处理方法

说明书

本发明公开了一种TC4合金表面处理方法，用于解决因TC4表面粗糙度和其表面的剧烈塑性变形层厚度造成其应用性能的技术问题。该方法首先将TC4合金通过第一次去应力退火处理和第一次喷丸处理后，使TC4合金表层发生大应变和高应变速率的剧烈塑性变形，实现其表面纳米化；再对TC4合金进行真空退火处理，进一步消除内应力，在表面纳米结构不发生明显粗化的前提下使其可承载进一步塑性变形；最后对真空退火后的TC4合金进行在短时间下的第二次喷丸，降低TC4合金表面粗糙度并增大其表面的剧烈塑性变形层厚度。经测试，TC4合金表面粗糙度由背景技术的4.80μm降低到2.19～2.33μm；同时TC4合金表面剧烈塑性变形层的厚度由背景技术的60μm增大到138～171μm。

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面改性方法。特别是涉及TC4表面粗糙度及表面剧烈塑性变形层厚度的处理方法。

背景技术

作为高性能轻量化合金，TC4合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等特点，在航空航天领域主要用于制造发动机的风扇、压气机盘及叶片，因而多服役于高温、高压等严苛环境。航空发动机叶片疲劳断裂故障突出，是制约航空发动机可靠服役的重点和难点问题，迫切需要解决。纳米材料的晶粒尺寸小、界面密度高，表现出优于传统粗晶材料的优异性能。通过机械诱发金属表层局部剧烈塑性变形制备表面纳米晶是纳米材料领域最具潜力的技术之一，为改善TC4合金的整体性能和服役寿命创造了条件。

文献1“杨磊，高能喷丸表面纳米化后表面粗糙度和损伤的研究，大连交通大学硕士学位论文，2012，55～58”报道了采用履带式抛丸机在弹丸速度为45m/s和时间为120～240min下于TC4合金表面制备出纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金剧烈塑性变形层(晶粒尺寸小于1μm)的厚度小于50μm，表面粗糙度大于4.80μm。文献2“张聪慧，刘研蕊，兰新哲，钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能，热加工工艺，2006，35(1)：5～7”报道了采用表面机械研磨处理方法在振动频率为48Hz和喷丸时间为30min、60min下于TC4合金表面制备了纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金剧烈塑性变形层厚度为60μm。文献3“Y.Li，K.N.Sun，P.Liu，Y.Liu，P.F.Chui，Surface nanocrystallization induced by fastmultiple rotation rolling on Ti-6Al-4V and its effect on microstructure andproperties，Vacuum，2014，101：102～106”报道了采用快速多重旋转滚挤方法在压力为4.2MPa、旋转速度为1600rpm和时间为60min下于TC4合金表面制备出纳米晶。结果发现，该方法制备的TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度为40μm。

一般来说，表面粗糙度越大，钛合金对应力集中越敏感，越容易萌生疲劳裂纹，进而降低钛合金的疲劳强度。此外，剧烈塑性变形层厚度越小，钛合金喷丸后表层残余压应力的深度越小，钛合金的抗疲劳性能改善程度越小。上述方法虽然制备了TC4合金表面纳米结构，但制备的TC4合金表面粗糙度较大和其表面的剧烈塑性变形层厚度较小，制约了其有效应用。

发明内容

为了克服现有技术制备的TC4合金表面粗糙度较大且TC4合金表面的剧烈塑性变形层厚度不足的技术问题，本发明提供一种TC4合金表面处理方法。该方法首先将TC4合金通过第一次去应力退火处理，然后在大气压力下进行第一次喷丸，经较长时间的喷丸处理后，使TC4合金表层发生大应变和高应变速率的剧烈塑性变形，实现其表面纳米化；再对TC4合金进行真空退火处理，进一步消除内应力，在表面纳米结构不发生明显粗化的前提下使其可承载进一步塑性变形；最后对真空退火后的TC4合金进行在短时间下的第二次喷丸，降低TC4合金表面粗糙度并增大其表面的剧烈塑性变形层厚度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：