TC4鈦合金與鈦基復合材料噴丸強化及其XRD表征.pdf

1、鈦合金與鈦基復合材料因高的比強度系數，好的延展性等優(yōu)異性能，廣泛應用在航空、汽車等工業(yè)領域。作為重要的表面強化方法，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合材料的表面性能，選取TC4鈦合金(Ti-6Al-4V)與鈦基復合材料(TiB+TiC)/TC4，對其進行表面噴丸強化處理，同時對噴丸強化層性能進行表征研究。
　　噴丸層殘余應力的研究表明，噴丸強化在材料表層引入了高的殘余壓應力，復合噴丸和預應力噴丸都能明

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

3、應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函數描述，基于該函數，可以得到復合材料松弛機制參數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的自擴散激活能都要高。鈦合金噴丸殘余壓應力在外加載荷下的松弛行為顯示，外加載荷越高，應力松弛越明顯，殘余應力穩(wěn)定值越小。
　　為了研究增

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

5、計算噴丸后晶塊尺寸、顯微應變和位錯密度分布。結果表明，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合材料，顯微應變數大于復合材料。噴丸后平均位錯密度大幅提高，起因于高動能的噴丸彈丸，和增強體對位錯運動的阻礙。對噴丸鈦合金和復合材料組織結構進行 Rietveld結構精修全譜擬合，所得計算結果與 Voigt分析方法結果一致。
　　噴丸層高溫下的組織結構變化顯示，等溫退火過程中，復合材料的重結晶激活能要大

6、于鈦合金，兩者分別為341 kJ/mol和294 kJ/mol。通過微應變的松弛分析，得到復合材料和鈦合金的微應變松弛能分別為288 kJ/mol和273 kJ/mol。結果表明復合材料的熱穩(wěn)定性要高于鈦合金材料，主要由于增強體的存在對殘余應力具有穩(wěn)定作用。
　　對噴丸表層硬度進行研究發(fā)現，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，由于增強體的存在，同一溫度處理后鈦合金的硬度低于復合材料。
　　利用原位拉伸X射線應力測定方法研究了TC4鈦合金噴丸后表面屈服強度，結果顯示噴丸后表面屈服強度為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)次數下，疲勞強度從未噴丸的550 MPa提高到620 MPa，增加13%。對疲勞斷口的照片分析表明，疲