[发明专利]一种提高航空钛合金高温疲劳性能的强化方法

说明书

一种提高航空钛合金高温疲劳性能的强化方法，步骤如下：将航空钛合金试样表面进行预处理；将预处理后试样进行电脉冲处理；将电脉冲处理后的试样进行第一次激光喷丸强化处理；去除第一次激光喷丸强化表面残留物，并超声清洗；将超声清洗后的试样表面进行高温离子注入N离子，在钛合金表面形成TiN层；将涂覆纳米Si和Al混合颗粒的铝箔粘贴在N离子注入后的试样表面进行第二次激光喷丸处理，形成耐高温的TiNAlSi层。本发明不仅可以在航空钛合金表层引入高幅值的残余压应力，形成纳米晶甚至非晶结构，同时在试样表层形成了结合强度较高的耐高温TiNAlSi涂层，进一步提高了航空钛合金的高温疲劳特性。

技术领域

本发明属于金属材料强化技术领域，具体涉及一种提高航空钛合金高温疲劳性能的强化方法。

背景技术

钛及其合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因具有比强度高、抗腐蚀性好以及服役温度范围广等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶和海洋工程等领域。但是钛合金对缺陷的敏感度高，在外界激励条件下易发生疲劳失效，大幅降低航空构件的服役寿命及安全性能，容易造成巨大的安全事故和经济损失。

激光喷丸作为一种新型的形变强化技术，具有高压、高能和超高应变率等突出优点。激光喷丸强化在材料表层诱导的高幅值残余压应力，以及高密度位错、纳米孪晶和相变马氏体等微观组织结构，可以有效提升结构材料的疲劳寿命，在航空航天关键部件等应力集中区域的可控强化方面具有显著优势。但是，在高温条件以及交变载荷作用下，激光喷丸的强化诱导的残余压应力和微观组织增益存在明显的松弛行为，这不利于保证强化效果的稳定性。

金属材料离子注入技术作为新兴表面改性技术，其具有传统表面处理工艺所没有的独特特点。其通过将某一种或几种元素进行电离，并使其进入加速电场加速，最终以较高的速度射入目标靶材表面的技术。离子注入技术可以改变材料表面化学成分和微观结构，从而达到改善材料表面的物理、机械和化学性能的目的。但是离子注入的影响层较浅，在材料表层植入的残余压应力值较小。因此亟需开发一种既提高航空钛合金高温疲劳性能又保证其性能稳定性的强化方法。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种提高航空钛合金高温疲劳性能的强化方法，采用电脉冲处理、离子注入与多次激光喷丸相结合的方法，在钛合金表层引入幅值高、影响层深的残余压应力，形成纳米晶甚至非晶结构，同时在材料表层形成耐高温的TiNAlSi层，进一步提高钛合金的高温疲劳性能。

技术方案：一种提高航空钛合金高温疲劳性能的强化方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一.将航空钛合金试样表面进行打磨抛光处理，然后放在酒精溶液中超声清洗，最后放在真空干燥箱中备用；

步骤二.将预处理后航空钛合金试样进行电脉冲处理，利用电致塑性效应改善金属材料加工性能及力学性能，并促进应力状态及组织结构的转变；

步骤三.将电脉冲处理后的航空钛合金试样进行第一次激光喷丸强化处理，利用高强激光能量诱导的剧烈塑性变形使钛合金试样表面晶粒细化；

步骤四.去除第一次激光喷丸强化航空钛合金试样表面残留物，并放置在酒精溶液中超声清洗；

步骤五.将超声清洗后的航空钛合金试样表面进行离子注入 N离子，一方面利用步骤三中第一次激光喷丸强化诱导的晶粒细化提高离子渗入的动力学过程，改善航空钛合金试样表面注入离子分布的均匀性；另一方面利用N离子的高速冲击作用促进航空钛合金试样外表面晶粒结构进一步细化至非晶结构，并与Ti元素相互作用在钛合金表面形成TiN层；

步骤六.将涂覆纳米Si和Al混合颗粒的铝箔粘贴在N离子注入后的航空钛合金试样表面进行第二次激光喷丸处理，利用激光喷丸诱导的高温高压作用下促进纳米Si和Al混合颗粒与TiN层发生化学反应，形成耐高温的TiNAlSi层。

作为优选，所述步骤一中航空钛合金为TC4、TC6、TC11、TC17或TC21钛合金。