本發(fā)明屬于鈦合金葉片表面處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
：鈦合金葉片是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，對航空發(fā)動機(jī)性能和壽命有著決定性影響。鈦合金葉片在服役過程中承受高溫、振動、氣動、離心力等負(fù)荷，工作條件苛刻，其組織狀態(tài)和殘余應(yīng)力分布要求十分嚴(yán)格。一旦葉片斷裂失效將會導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)停車，進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)災(zāi)難性故障。鈦合金葉片表面和近表面的殘余應(yīng)力分布，直接影響到葉片的工作性能和服役壽命。鈦合金葉片制造中，傳統(tǒng)工藝需要通過噴丸調(diào)控表面和近表面的殘余應(yīng)力分布。在噴丸工藝中，一方面可以有效地細(xì)化表面和近表面晶粒組織，同時產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這對葉片的性能和壽命是有利的；另一方面，噴丸又會導(dǎo)致表面損傷及微裂紋，以致?lián)p害葉片性能與壽命，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致葉片報廢。所以發(fā)展鈦合金葉片表面和近表面的殘余應(yīng)力調(diào)控新方法，克服葉片噴丸強(qiáng)化的缺點，成為葉片制造亟待解決的世界性難題。利用電磁場調(diào)控材料殘余應(yīng)力分布，延長零件使用壽命是一種新型的技術(shù)，具有處理效果好、時間短、無附加變形等優(yōu)點。目前，關(guān)于殘余應(yīng)力的電磁場調(diào)控技術(shù)已有一些文獻(xiàn)報道，但調(diào)控對象幾乎全部針對鋼鐵等鐵磁性材料，而關(guān)于針對非鐵磁性材料特別是鈦合金，采用電磁場調(diào)控的報道卻尚未見到。技術(shù)實現(xiàn)要素：為消除噴丸工藝對鈦合金葉片表面損傷的缺點，本發(fā)明提供一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，它針對新制鈦合金葉片，在傳統(tǒng)噴丸工藝的基礎(chǔ)上，增加電磁場調(diào)控工藝，利用電磁場調(diào)控材料表層及近表層殘余應(yīng)力分布，延長零件使用壽命。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，包括以下步驟：先對鈦合金葉片進(jìn)行噴丸處理，使其表面產(chǎn)生塑性變形，形成冷硬層和殘余壓應(yīng)力；再在常溫下對經(jīng)噴丸處理后的鈦合金葉片進(jìn)行電磁場調(diào)控處理，處理時間為3～600s，所述電磁場由交變磁場和脈沖電場耦合而成，交變磁場的強(qiáng)度為500～30000a/m，交變磁場的頻率為1～1000hz，脈沖電場的最大峰值電流為5～20000a，脈沖電場的脈沖周期為0.01～1.0s。按上述技術(shù)方案，在噴丸處理中，利用壓縮空氣將大量直徑為φ0.1mm～φ1.2mm的彈丸以高速向鈦合金葉片表面垂直或以一定角度噴射，噴丸壓力為0.1～2.0mpa、流量為1～30kg.min-1。按上述技術(shù)方案，所述交變磁場由電源輸出的交變電流在含有鐵芯的勵磁線圈中產(chǎn)生。按上述技術(shù)方案，所述脈沖電場由脈沖電源輸出特定周期的高密度脈沖電流，并在被處理材料內(nèi)部產(chǎn)生周期性電場。按上述技術(shù)方案，所述鈦合金葉片由精密鍛造、精密鑄造或數(shù)控加工工藝制作。本發(fā)明，具有以下有益效果：本發(fā)明先對鈦合金葉片進(jìn)行噴丸處理，經(jīng)噴丸處理后的鈦合金葉片表面金屬晶體發(fā)生塑性變形，位錯、空位等晶體缺陷增加，造成晶格畸變，改變了原有晶格原子的排列狀態(tài)，內(nèi)部材料能量分布不均勻，導(dǎo)致表層和近表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力狀態(tài)；然后再對噴丸處理后的鈦合金葉片進(jìn)行電磁場調(diào)控處理，一旦施加外能量場，晶界、亞晶界等高能量區(qū)域在外能量場能量的疊加作用下，將會超過微區(qū)相變的臨界能量，進(jìn)而發(fā)生相變析出二次相粒子，使基體相(α相)的形態(tài)發(fā)生改變，并起到強(qiáng)烈釘扎位錯和亞結(jié)構(gòu)的作用，阻礙位錯的運動及晶界、亞晶界遷移，導(dǎo)致壓應(yīng)力整體升高。本發(fā)明中，由于經(jīng)過噴丸處理的鈦合金葉片內(nèi)部能量分布并不均勻，局部發(fā)生第二相粒子析出和α相畸形的概率也不相同，于是通過施加外部電磁場，使得鈦合金葉片內(nèi)部能量較高且內(nèi)應(yīng)力也較高的微區(qū)發(fā)生相變，在一定程度上釋放部分較高的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而使殘余壓應(yīng)力均勻性得到提升。本發(fā)明可以顯著增加鈦合金葉片近表層及表面壓應(yīng)力，并且使鈦合金葉片表面殘余壓應(yīng)力分布更加均勻，消除噴丸工藝對鈦合金葉片表面造成的微損傷和缺陷，可以大幅提升鈦合金葉片疲勞強(qiáng)度，延長鈦合金葉片的疲勞壽命。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1a是本發(fā)明實施例中鈦合金葉片葉盆(局部)的示意圖。圖1b是本發(fā)明實施例中鈦合金葉片葉背(局部)的示意圖。圖2是本發(fā)明實施例中鈦合金葉片表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果的示意圖。圖3是本發(fā)明實施例中鈦合金葉片沿層深分布的殘余應(yīng)力測試結(jié)果的示意圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明的較佳實施例中，一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，包括以下步驟：先對鈦合金葉片進(jìn)行噴丸處理，使其表面產(chǎn)生塑性變形，形成冷硬層和殘余壓應(yīng)力；再在常溫下對經(jīng)噴丸處理后的鈦合金葉片進(jìn)行電磁場調(diào)控處理，處理時間為3～600s，電磁場由交變磁場和脈沖電場耦合而成，交變磁場的強(qiáng)度為500～30000a/m，交變磁場的頻率為1～1000hz，脈沖電場的最大峰值電流為5～20000a，脈沖電場的脈沖周期為0.01～1.0s。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在噴丸處理中，利用壓縮空氣將大量直徑為φ0.1mm～φ1.2mm的彈丸以高速向鈦合金葉片表面垂直或以一定角度噴射，噴丸壓力為0.1～2.0mpa、流量為1～30kg.min-1。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，交變磁場由電源輸出的交變電流在含有鐵芯的勵磁線圈中產(chǎn)生。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，脈沖電場由脈沖電源輸出特定周期的高密度脈沖電流，并在被處理材料內(nèi)部產(chǎn)生周期性電場。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，鈦合金葉片由精密鍛造、精密鑄造或數(shù)控加工工藝制作。以下列舉本發(fā)明的三個實施例。實施例1一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，包括以下步驟：s1、采用精密鍛造、數(shù)控加工等工藝制成鈦合金葉片；s2、對新制鈦合金葉片表面進(jìn)行噴丸處理：噴丸工藝參數(shù)為：與葉片表面呈垂直角度噴射彈丸，彈丸直徑為φ0.1mm～φ0.5mm，噴丸壓力為0.1～0.3mpa，流量為1～8kg.min-1；s3、將噴丸后的鈦合金葉片在常溫下置于特制的電磁場發(fā)生裝置中，利用電磁場對鈦合金葉片進(jìn)行處理，電磁場調(diào)控處理時間為3～10s，電磁場主要由交變磁場和脈沖電場耦合而成，磁場主要處理工藝參數(shù)為磁場強(qiáng)度500～5000a/m、頻率1～20hz，電場主要處理工藝參數(shù)為最大峰值電流5～500a、脈沖周期為0.01～0.08s。采用x射線衍射法對鈦合金葉片進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測試，測試點布置方式如圖1a、圖1b所示，其中葉盆上布置3個測試點(圖中標(biāo)記1、2、3)，葉背上布置5個測試點(圖中標(biāo)記1、2、3、4、5)。對于所有測試點均分別測試沿試樣長度與寬度方向的殘余應(yīng)力應(yīng)力分量。除此之外，對于葉背測試點2采用電解拋光剝層，測試殘余應(yīng)力沿層深方向的分布規(guī)律。本發(fā)明分三組進(jìn)行測試，第1組為新制鈦合金葉片，即噴丸前的鈦合金葉片，第1組為經(jīng)噴丸處理后的鈦合金葉片，第3組為經(jīng)噴丸和電磁場復(fù)合處理后的鈦合金葉片。殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖2、圖3所示，可以看出，與新制鈦合金葉片的殘余應(yīng)力相比，經(jīng)過噴丸工藝處理后，鈦合金葉片表面殘余壓應(yīng)力增大約41％～73％，但殘余壓應(yīng)力分布均勻性明顯變差，均方差最大63mpa；葉片殘余壓應(yīng)力自表面沿層深方向先緩慢降低，在層深20μm后迅速降低；與噴丸后殘余壓應(yīng)力分布相比，經(jīng)噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控工藝處理后鈦合金葉片殘余壓應(yīng)力均有一定程度的提升，最大提升幅度為7.7％，同時消除了噴丸工藝造成的應(yīng)力分布不均勻結(jié)果，與噴丸工藝處理后的殘余壓應(yīng)力相比，葉片沿層深方向上近表層形成了較強(qiáng)的殘余壓應(yīng)力場，其中層深35～65μm的區(qū)間殘余壓應(yīng)力最大提升了1.5倍。利用葉片疲勞強(qiáng)度試驗臺架，測試了在噴丸后和噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控處理后的葉片疲勞通過應(yīng)力，測試結(jié)果如表1所示。與噴丸后鈦合金葉片疲勞強(qiáng)度相比，利用噴丸-電磁場復(fù)合工藝調(diào)控殘余應(yīng)力后鈦合金葉片疲勞強(qiáng)度提升約33％～36％。表1噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控工藝對葉片疲勞失效強(qiáng)度的影響鈦合金葉片狀態(tài)最小失效強(qiáng)度(mpa)最大失效強(qiáng)度(mpa)噴丸工藝調(diào)控后450550噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控后600750實施例2一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，包括以下步驟：s1、采用精密鍛造、數(shù)控加工等工藝制成鈦合金葉片；s2、對新制鈦合金葉片表面進(jìn)行噴丸處理：噴丸工藝參數(shù)為：與葉片表面呈80～85°角度噴射彈丸，彈丸直徑為φ0.4mm～φ0.8mm，噴丸壓力為0.8～1.2mpa，流量為5～15kg.min-1；s3、將噴丸后的鈦合金葉片在常溫下置于特制的電磁場發(fā)生裝置中，利用電磁場對葉片進(jìn)行調(diào)控處理，電磁場調(diào)控處理時間為100～160s，電磁場主要由交變磁場和脈沖電場耦合而成，磁場主要處理工藝參數(shù)為磁場強(qiáng)度10000～15000a/m、頻率40～50hz，電場主要處理工藝參數(shù)為最大峰值電流8000～120000a、脈沖周期為0.45～0.75s。采用x射線衍射法對葉片進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測試，測試點布置方式及測試方法與實施例1相同。與新制葉片表面殘余應(yīng)力相比，經(jīng)噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控工藝處理后葉片殘余壓應(yīng)力提升了17％-60％，殘余應(yīng)力均方差值減少了24mpa，即消除了噴丸工藝造成的應(yīng)力分布不均勻結(jié)果；同時葉片沿層深方向上近表層形成了較強(qiáng)的殘余壓應(yīng)力場，其中層深15～35μm區(qū)域殘余壓應(yīng)力較噴丸后提升了76％。利用葉片疲勞強(qiáng)度試驗臺架，測試了在噴丸后和噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控處理后的葉片疲勞通過應(yīng)力。與噴丸后葉片疲勞強(qiáng)度相比，利用噴丸-電磁場復(fù)合工藝調(diào)控殘余應(yīng)力后葉片疲勞強(qiáng)度提升約9％～11％。實施例3一種鈦合金葉片殘余應(yīng)力噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控方法，包括以下步驟：s1、采用精密鍛造、數(shù)控加工等工藝制成鈦合金葉片；s2、噴丸工藝中，采用彈丸對鈦合金材料表面進(jìn)行：噴丸工藝參數(shù)為：與葉片表面呈60～75°角度噴射彈丸，彈丸直徑為φ0.8mm～φ1.2mm，噴丸壓力為1.8～2.0mpa，流量為25～30kg.min-1；s3、將噴丸后的鈦合金葉片在常溫下置于特制的電磁場發(fā)生裝置中，利用電磁場對葉片進(jìn)行處理，處理時間為500～600s，磁場主要處理工藝參數(shù)為磁場強(qiáng)度25000～30000a/m、頻率800～1000hz，電場主要處理工藝參數(shù)為最大峰值電流18000～20000a、脈沖周期為0.8～1.0s。采用x射線衍射法對葉片進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測試，測試點布置方式及測試方法與實施例1相同。與新制葉片表面殘余應(yīng)力相比，經(jīng)噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控工藝處理后葉片殘余壓應(yīng)力提升了17％-60％，殘余應(yīng)力均方差值減少24mpa，即消除了噴丸工藝造成的應(yīng)力分布不均勻結(jié)果；同時葉片沿層深方向上近表層形成了較強(qiáng)的殘余壓應(yīng)力場，其中層深15～35μm區(qū)域殘余壓應(yīng)力較噴丸后提升了90％。利用葉片疲勞強(qiáng)度試驗臺架，測試了在噴丸后和噴丸-電磁場復(fù)合調(diào)控處理后的葉片疲勞通過應(yīng)力。與噴丸后葉片疲勞強(qiáng)度相比，利用噴丸-電磁場復(fù)合工藝調(diào)控殘余應(yīng)力后葉片疲勞強(qiáng)度提升約43％～45％。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12