一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，包括喷丸前预处理：对镍基高温合金零部件进行表面清理，保证零部件表面没有污染物，对不能喷丸的部位进行包裹塞堵；湿喷丸处理：利用陶瓷丸与水对镍基高温合金零部件进行湿喷丸处理，水与陶瓷丸的质量比为4:1；喷丸后处理：室温干燥湿喷丸处理后的镍基高温合金零部件，完成表面改性处理。本发明专利技术通过工艺参数的优化实现对材料组织结构的调控，提高了方法的通用性，利用水的润滑和缓冲作用，可以降低喷丸过程中塑性变形的应变率，避免镍基高温合金表面产生微裂纹、起皮等表面缺陷，提高材料表面完整性等级，改善材料疲劳性能。

A wet shot peening method for surface modification of nickel-based Superalloys

【技术实现步骤摘要】
一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法
本专利技术涉及喷丸表面改性处理
，尤其是涉及一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法。
技术介绍
高温合金具有良好的高温力学性能、抗热腐蚀能力、断裂韧性和高温抗氧化性，在航空航天领域具有广泛应用。在航空发动机中，高温合金可被用于制备高温热端部件，例如：航空发动机的涡轮叶片、涡轮盘、导向器和燃烧室。由于受到交变载荷和外界环境的影响，疲劳断裂成了工程应用中大多数镍基高温合金零部件的主要失效形式，据统计，80％的零件失效是由于疲劳断裂造成的，严重限制了镍基高温合金的应用和发展。如何进一步提高镍基高温合金的疲劳寿命是一个关键问题。为改善镍基高温合金的疲劳性能，可采用喷丸等表面改性技术通过提高材料表面完整性等级的方式提高疲劳强度。但由于镍基高温合金材料的性能特殊性，经传统干喷丸处理后主要存在以下缺点：(1)镍基高温合金在传统干喷丸处理过程中应变率较大，容易使镍基高温合金表面产生微裂纹和起皮等表面缺陷，易形成疲劳源，降低其表面完整性；(2)干喷丸后试样表面粗糙度较大，因为干喷丸没有水缓冲导致弹丸动能较大，易造成表面应力集中，降低疲劳性能。中国专利CN109487183A公开了一种适用于铝锂合金的湿喷丸表面改性方法，采用以下步骤：(1)对铝锂合金零件进行表面清理并保护不能喷丸的部位；(2)对铝锂合金零件进行湿喷丸处理；(3)对经过喷丸处理的铝锂合金零件进行干燥处理。相比于镍基高温合金而言，铝锂合金的硬度较低，材料的屈服强度和抗拉强度等力学性能均低于镍基高温合金，更易发生塑性变形。喷丸强度与变形程度呈正比,而变形是产生残余压应力强化和表面粗糙化的主要因素,对疲劳性能有重要的影响,基体的变形难易程度是决定喷丸工艺参数的重要因素，鉴于镍基高温合金相比于铝锂合金较难变形的特点，需要更大的喷丸能量。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于镍基高温合金(包括：GH4169、FGH95等镍基高温合金)的湿喷丸方法，即采用陶瓷丸和水混合的磨液对镍基高温合金进行湿喷丸处理，其中水可以对丸粒起到缓冲作用也可以对受喷材料表面起到润滑作用，可降低喷丸过程中的应变率，避免镍基高温合金在喷丸过程中产生表面微裂纹等问题，减少材料表面粗糙度，最大限度地发挥喷丸改性效果。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，包括：步骤一：根据零部件尺寸规格和性能要求，确定目标喷丸强度和目标覆盖率等喷丸参数；步骤二：对试样或者零件进行表面清理，确保试样表面没有油污或其它污染物；步骤三：对试样或零件进行检查，用胶带或橡胶皮对零部件进行包裹塞堵，保护不能喷丸的部位，确保喷丸前的工序都已经到位；步骤四：对零件进行装夹，以及对不需要喷丸的部位进行保护；步骤五：按照工艺参数要求对试样或零件进行喷丸处理；步骤六：喷丸完成后把试样或零件从设备上卸下；步骤七：对喷丸后的试样或零件进行检查，保证表面没有嵌入的破碎丸粒，没有磕碰伤，表面的覆盖率和外观满足要求；步骤八：烘干喷丸处理后的零部件，喷丸完成后将工件至于通风处室温干燥。湿喷丸处理时控制空气压力为1.0MPa～1.2MPa。湿喷丸处理时控制处理时间为12min～14min。湿喷丸处理时陶瓷丸从喷丸机中抛出的初速度为40m/s～50m/s。湿喷丸处理时陶瓷丸的流量为0.8kg/min～1.4kg/min。湿喷丸处理时喷丸机的喷嘴镍基高温合金零部件表面距离为30mm～40mm。湿喷丸处理时，陶瓷丸的喷射角度为80°～90°，喷丸覆盖率为100％。湿喷丸处理时，采用的陶瓷丸的强度为0.3mmC～0.4mmC。湿喷丸处理时，采用的陶瓷丸的规格参照HBZ26-2011进行选择。湿喷丸处理时，水与陶瓷丸的质量比为4:1。湿喷丸采用的装置为JY-120WB液体喷丸机。干燥处理时的温度控制为18℃～19℃。上述工艺参数下的喷丸处理可以在镍基高温合金表层引入更大、更深的残余压应力场，表面改性层的深度也更大，相比于传统干喷丸而言，本专利公开的湿喷丸工艺可以更有效地抑制疲劳裂纹的形核与扩展，所引入的残余压应力场可以降低疲劳裂纹扩展速率，从而提高材料的抗疲劳性能。但当喷丸强度等工艺参数超过本专利的范围时，由于弹丸冲击能量过高会使材料表面发生折叠等缺陷，增大材料表面粗糙度，降低其表面完整性等级，不利于其疲劳性能的改善。由于镍基高温合金的材料硬度、屈服强度和抗拉强度等力学性能均比铝锂合金更高，在相同的外加载荷作用下，镍基高温合金变形更困难。本申请采用的喷丸工艺参数相比于适用于铝锂合金的湿喷丸表面改性方法而言在喷丸强度、弹丸初速度和弹丸流量等参数方面都有一定的提高，以适应不同合金的材料特点。本专利技术通过湿喷丸工艺，利用介质中水对材料表面的润滑作用可以降低受喷材料在喷丸后的表面粗糙度，利用水的缓冲作用可以降低喷丸过程中材料表面的应变率避免产生表面微裂纹、起皮等缺陷，与传统干喷丸相比具有更好的表面改性效果，可有效拓宽镍基高温合金的喷丸工艺参数域。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.湿喷丸将丸粒介质置于液体中，在喷丸过程中，使零件表面形成一层液膜，弹丸可以随液体回收，避免粉尘污染，还能提高弹丸和喷嘴的耐用性。2.本专利技术采用陶瓷丸，陶瓷丸的主要优点有：(1)硬度高(硬度可达640HV～780HV)、变形小。陶瓷丸的高硬度既保证了能够对高强度或超高强度零部件的喷丸强化，又提高了生产效率；陶瓷丸较小的变形量保证了在强化过程中陶瓷丸粒的球形度，提高了零部件喷丸的质量稳定性；(2)强化效果优于玻璃丸，其强化强度和铸钢丸相当，但生成的表面粗糙度要明显低于铸钢丸，同时还不会在零部件表面残留含铁的杂质，可避免铁污染与受喷材料反应产生腐蚀；而在相同强化强度下，陶瓷丸要比玻璃丸的速度低很多，这就使陶瓷丸的破碎率远低于玻璃丸，因此强化效果更稳定，生产成本更低；(3)表面光整度高、清洁、环保，这是陶瓷丸优于其他喷丸介质的最大亮点，陶瓷丸作为陶瓷材料既不易与金属零部件发生反应，也不易受外界环境的影响，既保证了自身的光洁度，又不会对金属零部件产生腐蚀，同时由于其破碎率低，生成的粉尘少，环境比较清洁，能见度更高，减少了对操作人员身体的危害，是一种清洁环保型喷丸介质。3.与传统干喷丸相比，湿喷丸可以将镍基高温合金的疲劳寿命提高10～20倍。4.与传统的干喷丸相比，湿喷丸工艺中水的冲刷和润滑作用可以避免弹丸与材料间的干摩擦，且弹丸在撞击板材前会受到水及水撞击板材后的反向阻力影响起到缓冲作用，因而湿喷丸处理后试样表面光洁度较高，可以减少因表面粗糙度增加而导致的应力集中问题。5.与传统干喷丸相比，湿喷丸利用水的缓冲作用降低喷丸过程中镍基高温合金表层材料的应变率，使其表面避免产生微裂纹、起皮等缺陷。6.与传统干喷丸依靠空气加压弹丸相比，湿喷丸依靠水流加速弹丸，更容易获得所需弹丸速度，湿喷丸的混合介质使得材料表面载荷分布均匀，材料表层组织获得理想的残余应力场及组织结构。7.与热处理方法相比，采用湿喷丸工艺不仅操作简单易行还可以在提高材料表面强度的同时改善表层组织结构。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，其特征在于，该方法包括：(1)喷丸前预处理：对镍基高温合金零部件进行表面清理，保证零部件表面没有污染物，对不能喷丸的部位进行包裹塞堵；(2)湿喷丸处理：利用陶瓷丸与水对镍基高温合金零部件进行湿喷丸处理，水与陶瓷丸的质量比为4:1；(3)喷丸后处理：室温干燥湿喷丸处理后的镍基高温合金零部件，完成表面改性处理。

【技术特征摘要】
1.一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，其特征在于，该方法包括：(1)喷丸前预处理：对镍基高温合金零部件进行表面清理，保证零部件表面没有污染物，对不能喷丸的部位进行包裹塞堵；(2)湿喷丸处理：利用陶瓷丸与水对镍基高温合金零部件进行湿喷丸处理，水与陶瓷丸的质量比为4:1；(3)喷丸后处理：室温干燥湿喷丸处理后的镍基高温合金零部件，完成表面改性处理。2.根据权利要求1所述的一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，其特征在于，湿喷丸处理时控制空气压力为1.0MPa～1.2MPa。3.根据权利要求1所述的一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，其特征在于，湿喷丸处理时控制处理时间为12min～14min。4.根据权利要求1所述的一种适用于镍基高温合金的湿喷丸表面改性处理方法，其特征在于，湿喷丸处理时陶瓷丸从喷丸机中抛出的初速度为40m/s～50m/s。5.根据权利要求1所述的一种适用于镍基高温合金的湿...

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉魁，陶雪菲，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31