【摘要】：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(duì)其進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理,同時(shí)對(duì)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)力噴丸都能明顯優(yōu)化其殘余應(yīng)力場(chǎng)。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(duì)噴丸表層殘余應(yīng)力的熱松弛行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力在整個(gè)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(guò)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(dòng)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(diǎn),對(duì)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(duì)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線形分析方法計(jì)算噴丸后晶塊尺寸、顯微應(yīng)變和位錯(cuò)密度分布。結(jié)果表明,噴丸后晶塊尺寸在表面最小(約50nm)。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(cuò)密度大幅提高,起因于高動(dòng)能的噴丸彈丸,和增強(qiáng)體對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙。對(duì)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(jì)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(guò)程中,復(fù)合材料的重結(jié)晶激活能要大于鈦合金,兩者分別為341 kJ/mol和294 kJ/mol。通過(guò)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(duì)殘余應(yīng)力具有穩(wěn)定作用。對(duì)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(cè)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550MPa提高到620 MPa,增加13%。對(duì)疲勞斷口的照片分析表明,疲勞裂紋起源于材料次表面,證明噴丸可有效避免疲勞裂紋源在表面的萌生。
【圖文】：

鈦合金的表面改性處理研究是鈦合金研究范疇中的一個(gè)重要的方向，主要鈦合金存在一些表面性能上的劣勢(shì)，如:表面承載能力低、耐磨性能差等結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，因此，對(duì)其表面改性是一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題。國(guó)合金表面改性技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從初期的傳統(tǒng)階段和中期的現(xiàn)代表面技現(xiàn)在的現(xiàn)代表面技術(shù)的綜合應(yīng)用階段,現(xiàn)在鈦合金表面改性技術(shù)正朝著多運(yùn)用方向發(fā)展。鈦及其合金的表面處理方法包含物理化學(xué)處理方法和機(jī)械理化學(xué)處理方法主要包含表面物理氣相沉積(PVD)[35]、化學(xué)氣相沉積(CV滲硼[37]、滲碳滲氮等處理方法。機(jī)械處理方法主要包括表面激光處理[38-41處理[42-44]等處理方法。對(duì)比其他處理方法，表面噴丸處理方法因其操作工藝可以通過(guò)引入殘余壓應(yīng)力來(lái)改善材料的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度[45-47]、表面硬能，從而在工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用。圖1-1顯示了TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）在下的斷裂截面的SEM形貌，可以發(fā)現(xiàn)噴丸后樣品的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命都提高，也可以發(fā)現(xiàn)噴丸后裂紋萌生點(diǎn)從表面移到次表面，說(shuō)明噴丸可以抑的萌生和擴(kuò)展。

因此，，噴丸強(qiáng)度弧高值的表示方法綜合反映了其噴丸工藝參數(shù)。金屬材料進(jìn)行顆粒噴丸強(qiáng)化處理以后，表層組織結(jié)構(gòu)會(huì)得到優(yōu)化，但是噴丸處理圖1-2 顆粒噴丸過(guò)程示意圖Fig. 1-2 Schematic figure of the progress of SP.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG668

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本文編號(hào)：2556690