一种钛合金材料表面纳米化处理方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金材料表面纳米化处理方法，其步骤如下：首先将超声波表面强化处理装置垂直对准处理工件表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置，使所述超声波表面强化处理装置针对待处理工件机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密排处理。本发明专利技术的钛合金材料表面纳米化处理方法采用塑形变形方法和相当大的变形速度处理工件表面，使待处理工件的疲劳强度，腐蚀抗力，屈服和断裂点，磨损阻抗，光的折射系数增加，并且使材料表面致密化，尺寸减小，密度增加。

Surface nanocrystallization treatment method for titanium alloy material

The invention relates to a titanium alloy surface nanocrystallization method, the steps are as follows: first, the processing device of vertical alignment processing of workpiece surface ultrasonic surface; and then connect the power, open the surface strengthening treatment device of ultrasonic, the ultrasonic processing device for surface strengthening treatment closepacked equidistant workpiece mechanical power walking speed, treat the isokinetic treatment workpiece densely along the axial direction. The surface of nano titanium alloy material of the invention is treated by plastic deformation and deformation velocity method in dealing with the surface of the workpiece, the workpiece processing to fatigue strength, corrosion resistance, yield and fracture, wear resistance, increase of refractive index of light, and the material surface densification, size, density increased.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别涉及一种用于钛合金材 料表面处理的超声波处理方法。
技术介绍
金属材料的表面纳米化有各种各样的方法。利用严重塑性变形方法可使金属材 料的微米晶粒细化形成超细晶或纳米晶，这类方法包括等通道转角挤压、高压扭转(HPT)、表面机械研磨(SMAT)和高能球磨(HEBM)等。其中表面机械研磨和高能球磨 属于高应变率"& 〉103 /s)的塑性变形方法。表面机械研磨(SMAT)是近几年发展起来的一项新的表面纳米化技术。研究结果 表明，在SMAT中由于受弹丸的高速、多方位重复冲击，材料表层的粗晶组织通过产 生强烈的高应变率塑性变形而逐渐细化至纳米量级(10 — 30 nm)。 大量的TEM观察结果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位错、界面(晶界)等晶 体缺陷，从而使晶粒发生破碎，其破碎程度取决于应变和应变率的大小。随着材料 表层深度的减小，应变和应变率逐渐增加，从基体到表面可依次产生形变粗晶层、 细化结构层和纳米结构层(厚度为10 — 50 um)。在形变粗晶层中，材料的粗晶组织通常可产生位错、层错、孪晶等缺陷，以此 来协调塑性应变；在细化结构层中，应变和应变率有所增加，位错(或孪晶)的数量 增多，相互作用更加频繁，因而可形成小尺寸的位错胞或孪晶，同时其界面(晶界) 的取向差也逐渐增大；而在纳米结构层中，应变和应变率急剧增加，位错胞尺寸或 孪晶尺寸可进一步减小至纳米量级，通过位错湮灭和重组、亚晶界的演变或孪晶的 重复交割可最终形成取向呈随机分布的纳米晶。此外，材料在SMAT中的微观组织演化还受到变形金属层错能和晶体结构等因 素的影响。例如，bcc结构的高层错能金属Fe，由于其变形受位错滑移的控制，随 着材料表层深度的减小，在各类变形层中可依次形成位错墙和位错缠结、亚晶及纳 米晶等一系列微观组织。而具有fcc结构的AISI 304不锈钢，由于其低层错能性质限制了不全位错的 交滑移，使得位错只能在各自的滑移面上运动，因而在形变粗晶层中可形成{111}平面的位错列、位错网格和层错；随着应变和应变率的增加，机械孪生幵动，在细 化结构层中可形成多系孪晶交割，并在孪晶交割处诱发马氏体相变。对于hcp结构 的ci-Ti、 Co、 Mg合金等材料，在形变粗晶层中以机械孪生变形为主，随着应变和 应变率的增加，才逐渐产生位错滑移，同时伴有层错。可见，SMAT中金属材料变形 的微观机制是应变、应变率、晶体结构、层错能等内外因素综合作用的结果。除发生大晶粒破碎外，TEM的观察结果还表明，a -Ti、 Co和Mg合金等材料在SMAT 中均出现了晶界结构完整，"洁净"、无应变的等轴状纳米晶，研究人员认为这是 发生了动态再结晶的结果。而对于动态再结晶机制，也有人持不同的看法。例如， Zhu等人认为是由于亚晶发生旋转(旋转再结晶)所致。动态再结晶的发生表明在 SMAT中存在由高应变、高应变率塑性变形所导致的绝热温升，并且它对纳米晶组 织的演化也产生了作用。在探求SMAT中金属材料的表面纳米化机理时，这一问题 不可忽视。值得注意的是，由于在SMAT中弹丸对样品表面施加的多方位重复载荷可促进 晶体的多系滑移和多系孪生变形，从而大大提高了材料的纳米化程度。高能球磨(HEBM)技术是1970年代由Benjamin等人提出的。它以简单、低成本 和对材料的广泛适用性等优点，在纳米晶材料的研究与制备方面发挥了重要作用。 在HEBM中，金属粉末受研磨球、研磨罐的频繁碰撞而产生变形、冷焊、断裂等过 程。原始粗晶在高应变率"& 〉103 /s)、多方向的重复载荷下可最终形成晶粒取向呈随机分布的纳米晶。利用X射线衍射分析(XRD)测量晶粒尺寸的实验结果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下变化在球磨初期，晶粒细化速度较快，晶粒尺寸迅速减小到 某一值；进一步球磨，晶粒细化速度明显减慢，晶粒尺寸缓慢减小至某一稳态的晶 粒尺寸；继续球磨，晶粒尺寸几乎不发生变化。通常，达到稳态后的晶粒尺寸在5 一30 nra范围。此外，在2007年Mufioz等人将球磨形成的纳米晶Fe粉放入异丙醇液体中进行 超声分散，随后利用磁场和重力场的共同作用还从中采集到了更小尺寸的纳米颗粒 (2 — 4 nm)。以往对高能球磨中金属纳米晶的形成机制主要存在两种观点，即大晶粒的破碎 机制和动态再结晶机制。由Fecht等人提出的大晶粒破碎机制主要包括三个阶段l) 在变形初期，通过产生局部变形形成具有高密度位错的剪切带；2)在一定的应变条件下，位错经湮灭和重组形成纳米尺寸(20 — 30 nm)的亚晶，亚晶随进一步变形延 续至整个样品；3)通过晶界滑动等可能的机制形成随机取向的纳米晶。Liu等人对 球磨Fe和Fe-O。 89C的TEM研究结果也符合这一机制的特征，所不同的是没有观 察到剪切带组织。而Zhang等人通过对球磨形成的纳米晶Zn进行TEM观察与研究， 提出了动态再结晶机制。此外，Manna等人的研究结果表明，在金属Zr和Ti的高能球磨过程中，除晶 粒发生细化形成纳米晶外，还分别发生了hcp—fcc同素异构转变。对球磨粉末的DSC测量进一步表明，晶格位错弹性能占储存焓的比例很小，大 部分储存焓来自于晶界焓的释放。为此有学者认为，随着晶粒尺寸的减小，晶界的 体积分数不断增加，其塑性变形机制也由晶内的位错运动逐渐向晶界处转变，包括 杂质堆积、晶界滑动以及晶界软化等机制。目前对于晶界处的塑性变形机制尚不十 分清楚。虽然变形材料的形态各异，外加载荷方式也有所不同，但经高应变率"& 〉103/s)塑性变形后均实现了金属材料的纳米化(5 — 30nm)。而通常在ECAP、 HPT等 准静态塑性变形中形成的晶粒尺寸只能达到100 — 500 nm。与ECAP等准静态变形相 比，金属材料在高应变率条件下不仅受应变强化，还受到应变率强化的作用，因而 可产生更高的流变应力，形成更小尺寸的晶粒。此外，经高应变率变形产生的绝热 温升使得局部组织在变形中出现动态再结晶、相变等特殊现象，这更增加了变形组 织演化的复杂性。对于金属材料在高应变率条件下的晶粒细化与纳米晶的形成，借助于TEM、 XRD、 DSC等实验手段，目前已经取得阶段性的成果。利用TEM观察已较好地证实了晶粒 在细化过程中形成的位错列、位错墙、位错缠结等组态以及纳米尺寸的亚晶、孪晶 和再结晶晶粒的存在；选区电子衍射(SAED)和服EM还进一步表明了晶界取向差的 变化和纳米晶的状态；利用XRD可表征材料的晶粒尺寸和微观应变的变化。尽管如 此，到目前为止获得的实验数据还不够丰富，人们对于高应变率下纳米晶形成机制 的认识也还有限。如上所述，现有的表面纳米化研究包括高能喷丸表层纳米化(HSP)、表面机械 研磨处理(SMAT)技术研究，该方法是用超声波震荡器激发起高能球使其以一定速 度撞击于材料表面，使其表面不断产生塑性变形，最终实现表层纳米化。该方法能 够形成表层纳米层，但是打击面粗糙，受到喷丸直径与速度的影响大，喷丸冲击面积不均匀，打击面的受冲击频率与密度只能是统计值。钛合金属于较软金属材料，如何使之形成纳米表面一直是本
急需要解 决的难题。因此，提供一种大幅度提高钛合金疲劳性能、应力腐蚀性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金材料表面纳米化处理方法，其步骤如下：　首先将超声波表面强化处理装置垂直对准处理工件表面；然后接通电源，打开超声波表面强化处理装置，使所述超声波表面强化处理装置针对待处理工件机械动力密排等距，等速行走，对待处理工件沿轴向等速密 排处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱其芳，孙泽明，王福生，黄桂成，张永安，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]