喷丸强化因素对Ti合金微动疲劳抗力的作用

探讨了喷丸强化（SP）三因素（残余压应力引入,表面粗糙度增大和表面加工硬化）在改善Ti合金微动疲劳（FF）性能中的作用规律和机制。结果表明,SP引入表层残余应力和导致粗糙度增大对提高Ti合金FF抗力起重要作用。前者的作用大于后者,且二者之间存在协同作用效应,即SP表面因粗糙度增大而减缓了表层残余应力的SP引入的表面残余应力主要通过增加裂纹闭合力,抑制FF裂纹早期扩展来提高FF抗力。在表面应力集中严重的接触几何条件下,裂纹扩展控制FF过程,此时SP层残余应力的作用更加显著。     

Mo电极电火花强化与喷丸复合提高Ti合金微动疲劳抗力

采用Mo电极分别在空气和硅油中对Ti811钛合金表面进行电火花强化处理（ESS），探讨消除强化层中裂纹缺陷的途径。将ESS与喷丸强化复合，拟使Ti合金微动疲劳（FF）抗力得到显著改善。结果表明：Mo电极在空气中电火花强化处理Ti811钛合金表面后，强化层出现明显的微裂纹缺陷，由此导致其微动疲劳抗力降低。在硅油中用Mo电极电火花处理Ti811合金不仅消除了表面裂纹缺陷，而且使钛合金表面具有良好的减摩润滑作用，显著改善了钛合金基材的耐磨性能；再经喷丸强化处理，使钛合金基材的微动疲劳抗力显著提高。     

Ti811合金的高温微动疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制高温微动疲劳装置,研究了温度、位移幅度、接触压力等因素在对Ti811钛合金高温微动疲劳(FF)行为的影响,并通过形态特征分析,研究了微动疲劳的失效机理.结果表明:350℃和500℃的高温下,Ti811合金微动疲劳敏感性较高,且随着温度的升高,微动疲劳的敏感性增强,蠕变是高温下Ti811合金FF失效的重要影响因素;FF的寿命随着接触压力和位移幅度的变化均呈现出非单调的变化规律,原因是名义接触压力的变化改变了接触区应力分布、应力集中状况和微动位移幅度大小,进而影响FF裂纹萌生几率和扩展驱动力;位移幅度变化影响了疲劳应力因素和磨损在FF过程中所起作用和机制.     

复合表面改性协同增强Ti合金高温微动疲劳抗力

研究了Ti811（Ti8A11MolV）钛合金表面离子束增强沉积（IBED）0Cr18Ni9膜层的膜基界面成分分布、膜基结合强度、膜层硬度和摩擦学行为。利用喷丸形变强化对IBED膜层进行后处理，拟达到联合提高钛合金高温微动疲劳抗力的目的。结果表明：离子束增强沉积技术可以获得致密度高，晶粒细化，孔隙率低，膜基结合强度高的0Cr18Ni9膜层，从而显著提高了钛合金表面硬度和耐磨性能；离子束增强沉积0Cr18Ni9膜层的耐磨性能与喷丸形变强化引入的表层残余压应力协同作用，使Ti811合金在350℃高温下的微动疲劳抗力显著提高，并且高于喷丸强化或IBED膜层的单独作用。     

离子辅助沉积TiN/Ti复合膜提高TC17钛合金高温微动疲劳抗力

为提高钛合金高温微动疲劳抗力,利用离子辅助电弧沉积技术在TC17钛合金表面制各了TiN/Ti复合膜层,研究了膜层的剖面成分分布、膜基结合强度、膜层显微硬度、韧性、常规摩擦学性能以及抗高温微动疲劳性能.结果表明:利用离子辅助电弧沉积技术可以获得硬度高、韧性好、膜基结合强度和承载能力优异的TiN/Ti复合膜层,该膜层具有良好的抗磨和减摩性能,能够显著地提高TC17钛合金在350℃高温环境下的常规磨损和微动疲劳抗力.然而,TC17钛合金表面喷丸强化后进行离子辅助沉积TiN/Ti复合膜,由于喷丸层残余压应力的显著松弛以及膜层易于开裂和脱落的缘故,微动疲劳抗力则不及喷丸强化或TiN/Ti复合膜单独作用.     

激光冲击强化与喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。 结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化试样比喷丸强化试样具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化试样和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

Cu/Ni多层膜对Ti811合金微动磨损和微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面利用离子辅助磁控溅射沉积技术制备20～1200nm不同调制周期的Cu/Ni金属多层膜,分析多层膜的结构,测试膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究不同调制周期的Cu/Ni多层膜对钛合金基材常温下微动磨损性能和微动疲劳(FF)抗力的影响。结果表明:利用离子辅助磁控溅射技术可以获得致密度高、晶粒细化、膜基结合强度高的Cu/Ni多层膜,该类多层膜具有良好的减摩润滑作用,因而改善了Ti811钛合金常温下抗微动磨损和微动疲劳性能;Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的改善程度随膜层调制周期呈现非单调变化趋势,调制周期为200nm的Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的提高程度最大,原因归于该膜层具有良好的强韧和润滑综合性能。     

喷丸对TC18钛合金拉-拉疲劳性能的影响

分析了TC18钛合金表面喷丸强化所产生的表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力和表面层残余压应力场变化及喷丸对拉-拉疲劳性能的影响,并用疲劳裂纹萌生的微细观过程理论合理解释了拉-拉疲劳极限的提高。结果表明:喷丸强化不仅能够明显延长TC18钛合金的高周疲劳寿命,且能使1×107周次下的疲劳极限提高27%。     

喷丸强化对TC21高强度钛合金疲劳性能的影响

对TC21疲劳试样进行喷丸,测定未强化试样和喷丸强化试样的旋转弯曲疲劳S-N曲线和采用升降法测定1×107周次下的条件疲劳极限,利用X射线应力仪测定了残余应力,用扫描电镜分析了疲劳断口.试验结果表明,喷丸不仅可显著延长TC21钛合金的疲劳寿命和提高疲劳强度,而且能使疲劳裂纹不再从表面萌生而是从表面强化层下的基体材料处形成并向四周扩展.     

等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能

利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6A14V钛合金表面渗氮处理,研究了渗氮层的相组成、硬度分布、韧度及摩擦学性能,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,以达到联合提高钛合金微动疲劳(FF)抗力的目的.研究结果表明:脉冲电源等离子技术可在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力.渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用.提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要.     

喷丸强化对2024铝合金/钛合金铆接件微动疲劳性能的影响

目的 研究机械喷丸强化对2024铝合金铆接件(螺栓为钛合金)微动磨损及疲劳寿命的影响。方法 利用X射线衍射仪、维氏硬度计、激光共聚焦显微镜和扫描电镜等设备,分析机械喷丸前后试样的表面完整性、磨痕表面形貌、磨痕轮廓和磨损体积。结果 采用机械喷丸强化处理能够显著提升铆接件的平均疲劳寿命,相较于原始试样,最高提升了约36.3倍。经断口失效分析发现,喷丸强化后试样的疲劳裂纹源位置发生了转移,原始件裂纹源位于铆接孔棱角的表面(板面与孔交界位置),板面喷丸后(只对铆接板表面进行喷丸处理)试样的裂纹源转向铆接孔壁的表面,板面+孔面+石墨润滑喷丸后试样的裂纹源转向铆接孔次表面(强化效果最好)。机械喷丸强化对铝合金微动耐磨性能的影响随着喷丸工艺参数的变化而波动。在线/面微动摩擦测试中,原始样品的磨痕深度为41.5 μm;采用0.2A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.2A?200%)的喷丸参数时,磨痕深度降至34.6 μm,耐磨性得到提高;在0.3A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.3A?200%)的喷丸参数时,磨痕深度升至58.9 μm,耐磨性降低。经喷丸强化后铝合金的微动磨损机制由黏着磨损向脱层磨损转变。通过电子背散射衍射研究发现,喷丸处理使得样品表层小角度晶界所占比例增多,表层晶粒细化。结论 铆接件微动疲劳性能的强化效果得益于喷丸在材料表面引入的残余压应力场和加工硬化层的共同作用。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

钛合金薄壁叶片喷丸变形的研究

目的 研究喷丸工艺对钛合金薄壁叶片变形的影响,找到解决喷丸变形的方法 .方法 对钛合金薄壁叶片进行喷丸强化,采用三坐标测定喷丸前后叶片的尺寸变化情况.结果 在喷丸强度和覆盖率一致的前提下,采用不同的路径对叶片进行喷丸后,叶片的变形趋势和变形量没有很大差异.叶片进行喷丸后,采用相同的喷丸强度对叶片进行二次喷丸,叶片几乎不发生变形,需要采用更高的喷丸强度进行二次喷丸才可以使叶片发生变形.在喷丸之前对叶片进行真空去应力,虽然叶片表面的残余应力有相应减少,但与不进行真空去应力的叶片相比,喷丸变形情况没有发生太大的改变.结论 可采用喷丸前预变形和喷丸校正的方法 解决喷丸变形的问题,使得叶片喷丸后的尺寸达到图纸的要求.     

喷丸处理对锆合金微动磨损及抗腐蚀性能的影响

目的探索喷丸处理工艺对锆合金包壳管的微动磨损及抗腐蚀性能的影响。方法对锆合金包壳管进行喷丸处理,对原始试样及喷丸处理试样进行微动磨损试验,并测量磨损深度和磨损体积、表征微动磨损后的表面粗糙度和表面形貌。此外,对原始试样及喷丸处理试样进行腐蚀试验,测量喷丸前后锆合金的腐蚀增重。结果喷丸处理使ZIRLO锆合金的磨损体积相对于未处理试样减少了5.7%。喷丸处理能够提高ZIRLO锆合金包壳管的硬度,但是高硬度区域较薄,约为4～8μm。腐蚀介质为去离子水和Li OH溶液时,喷丸试样的腐蚀增重分别经过140 d和220 d后低于原始试样。Li OH溶液条件下,未喷丸的ZIRLO合金管氧化膜的厚度约为15μm,喷丸后ZIRLO合金管氧化膜的厚度约为1.21μm。结论喷丸处理在一定程度上可以提高ZIRLO锆合金抗微动磨损性能和抗腐蚀性能,其中抗微动磨损性能有提高,但幅度不大,这与硬化层较薄有关。喷丸后试样经过腐蚀试验,腐蚀增重减少,氧化膜厚度减小,说明抗腐蚀性能增强,但喷丸试样的抗腐蚀性能在腐蚀进行到一定阶段时才开始体现。     

喷丸结合振动光整加工工艺对钛合金疲劳性能的影响

目的提高钛合金的疲劳性能。方法采用喷丸结合振动光整加工工艺对TC4钛合金进行了表面加工处理。对未加工试样、经过喷丸处理后的试样和经过喷丸与振动光整加工工艺处理后的试样,分别进行了表面粗糙度、表面层残余应力测试,并对三种状态下的试样进行了旋转弯曲疲劳试验。对比了不同工艺处理后试样的表面粗糙度、表层残余应力及疲劳强度。结果与喷丸工艺相比,采用喷丸结合振动光整加工工艺对试样进行处理后,试样的表面残余压应力值提高了39 MPa,残余压应力峰值、残余压应力层的厚度略有降低。喷丸结合振动光整加工工艺在不明显改变试样残余压应力场的条件下,使试样的表面粗糙度得到大幅降低。疲劳试验结果表明,喷丸工艺使TC4钛合金的疲劳强度提高了16.3%,喷丸结合振动光整加工工艺使TC4的疲劳强度提高了23.8%,比喷丸后TC4钛合金的疲劳强度高出7.5%。结论在喷丸工艺的基础上,喷丸结合振动光整加工工艺通过改善TC4钛合金的表面完整性,使TC4钛合金的疲劳强度得到进一步提高。     

喷丸表面覆盖率对Ti60高温钛合金疲劳性能的影响

采用新型的陶瓷弹丸,对Ti60钛合金进行相同喷丸强度和不同表面覆盖率(100%,200%,400%)的喷丸强化,研究了喷丸前后的表面形貌、表面粗糙度、残余应力场、X射线衍射峰半高宽等表面完整性特征参数以及其对高温疲劳寿命的影响。结果表明,喷丸覆盖率对表面完整性具有重大影响,因此不同覆盖率喷丸Ti60钛合金试样具有显著差异的疲劳寿命。采用200%覆盖率喷丸,可以使钛合金Ti60保持较小的表面粗糙度(Ra=1.2μm),较大的尖端圆角曲率半径(相对磨削加工),较好的残余应力分布和稳定的强化层微观组织,这些较好的表面完整性状态使Ti60钛合金的高温旋转弯曲疲劳寿命提高了4倍左右;而采用其他表面覆盖率(100%,400%)喷丸时,Ti60钛合金的高温疲劳寿命提高了2倍左右。