TC4鈦合金與鈦基復(fù)合材料噴丸強(qiáng)化及其XRD表征.pdf

1、鈦合金與鈦基復(fù)合材料因高的比強(qiáng)度系數(shù)，好的延展性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用在航空、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。作為重要的表面強(qiáng)化方法，噴丸處理可以顯著改善和提高材料表面性能。為了改善鈦合金和鈦基復(fù)合材料的表面性能，選取TC4鈦合金(Ti-6Al-4V)與鈦基復(fù)合材料(TiB+TiC)/TC4，對其進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理，同時對噴丸強(qiáng)化層性能進(jìn)行表征研究。
　　噴丸層殘余應(yīng)力的研究表明，噴丸強(qiáng)化在材料表層引入了高的殘余壓應(yīng)力，復(fù)合噴丸和預(yù)應(yīng)力噴丸都能明

2、顯優(yōu)化其殘余應(yīng)力場。在0.3mmA+0.15mmA復(fù)合噴丸強(qiáng)度下，材料 TC4、5％(TiB+TiC)/TC4和8%(TiB+TiC)/TC4表層最大殘余壓應(yīng)力分別為-813，-857和-859 MPa，殘余壓應(yīng)力層深分別約300，250和250μm。改變噴丸強(qiáng)度，殘余壓應(yīng)力層深隨噴丸強(qiáng)度的提高而增加。預(yù)應(yīng)力噴丸能顯著增加殘余壓應(yīng)力，加載預(yù)應(yīng)力越大，表層殘余壓應(yīng)力增加越明顯。
　　對噴丸表層殘余應(yīng)力的熱松弛行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)殘余壓

3、應(yīng)力在整個變形層中都發(fā)生了松弛，起始階段松弛比較明顯，然后逐漸趨于穩(wěn)定，其熱松弛過程可以用Zener-Wert-Avrami函數(shù)描述，基于該函數(shù)，可以得到復(fù)合材料松弛機(jī)制參數(shù)m，激活焓?H和松弛激活能QRS，分別為0.4483，2.92 eV和282 kJ/mol。其中QRS要比α-Ti和β-Ti的自擴(kuò)散激活能都要高。鈦合金噴丸殘余壓應(yīng)力在外加載荷下的松弛行為顯示，外加載荷越高，應(yīng)力松弛越明顯，殘余應(yīng)力穩(wěn)定值越小。
　　為了研究增

4、強(qiáng)體內(nèi)部及其周圍的殘余應(yīng)力分布，利用ANSYS有限元分析軟件，建立3D動態(tài)模型模擬復(fù)合材料噴丸殘余應(yīng)力分布。結(jié)果顯示增強(qiáng)體承受了材料噴丸后絕大多數(shù)殘余拉應(yīng)力，而基體內(nèi)部表現(xiàn)的都是殘余壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為-1511 MPa和+1155 MPa。這種應(yīng)力分布充分體現(xiàn)增強(qiáng)體高屈服強(qiáng)度的特點，對表層力學(xué)性能不利的殘余拉應(yīng)力都集中在增強(qiáng)體內(nèi)，避免其對基體材料的破壞。
　　為了研究噴丸層組織結(jié)構(gòu)變化，利用Voigt線形分析方法

5、計算噴丸后晶塊尺寸、顯微應(yīng)變和位錯密度分布。結(jié)果表明，噴丸后晶塊尺寸在表面最?。s50nm）。同一噴丸條件下，鈦合金晶塊尺寸小于復(fù)合材料，顯微應(yīng)變數(shù)大于復(fù)合材料。噴丸后平均位錯密度大幅提高，起因于高動能的噴丸彈丸，和增強(qiáng)體對位錯運動的阻礙。對噴丸鈦合金和復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行 Rietveld結(jié)構(gòu)精修全譜擬合，所得計算結(jié)果與 Voigt分析方法結(jié)果一致。
　　噴丸層高溫下的組織結(jié)構(gòu)變化顯示，等溫退火過程中，復(fù)合材料的重結(jié)晶激活能要大

6、于鈦合金，兩者分別為341 kJ/mol和294 kJ/mol。通過微應(yīng)變的松弛分析，得到復(fù)合材料和鈦合金的微應(yīng)變松弛能分別為288 kJ/mol和273 kJ/mol。結(jié)果表明復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性要高于鈦合金材料，主要由于增強(qiáng)體的存在對殘余應(yīng)力具有穩(wěn)定作用。
　　對噴丸表層硬度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，表面硬度最大，沿著層深逐漸減小。三種樣品中，8%(TiB+TiC)/TC4表面硬度最大，約630 Hv，較噴丸前提高了52%。等溫退火后硬度變

7、化顯示，450oC退火后材料的硬度要低于350oC退火后的值，由于增強(qiáng)體的存在，同一溫度處理后鈦合金的硬度低于復(fù)合材料。
　　利用原位拉伸X射線應(yīng)力測定方法研究了TC4鈦合金噴丸后表面屈服強(qiáng)度，結(jié)果顯示噴丸后表面屈服強(qiáng)度為1080 MPa，較噴丸前(約850MPa)提高了27%。噴丸前后鈦合金的疲勞性能顯示，在疲勞壽命為107循環(huán)次數(shù)下，疲勞強(qiáng)度從未噴丸的550 MPa提高到620 MPa，增加13%。對疲勞斷口的照片分析表明，疲