钛合金表面复合强化后的热疲劳性能.pdf

第5 9 卷第4 期 2007 年11 月 有色金属 N O ．1 f e I T O U SM e t a l a V o I ．5 9 ．N o ．4 N o v e r z l b e r20 07 钛合金表面复合强化后的热疲劳性能 王少鹏，乔生儒，葛志宏 西北工业大学超高温结构复合材料实验室，西安 7 10 0 7 2 摘 要氩气下分别采用Y G 一8 硬质合金和硅青铜电极在T i l 7 表面形成瞬态电能表面强化层，然后用离子束增强沉积铜 合金，形成复合强化层。空气介质中在光辐射热疲劳试验机上进行热疲劳试验。在不同热循环周次下测量试样的电阻，并用S E M 观察了热循环前后的组织。结果表明。复合强化后的强化层中存在气孔和微裂纹．强化层和基体界面处的缺陷相对集中。2 5 ℃～ 5 0 0 ℃热疲劳后，强化层中裂纹的数量和尺寸增加，存在氧化痕迹。但没有剥落现象。强化试样热疲劳后电阻表征的损伤量比未强 化试样略大，可近似认为复合强化对T i l 7 的热疲劳性能影响很小。 关键词金属材料；钛合金；复合强化；热疲劳；电阻 中图分类号T G l 4 6 ．2 3 ；T G l 7 4 ．4 4 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 0 0 2 3 0 4 钛合金是航空、航天、船舶、化工等领域重要的 应用材料之一，它具有密度低、比强度高、耐腐蚀性 优异及高温性能稳定等优点，在其他方面的应用也 越来越受到重视[ 卜2 I 。然而钛合金的耐磨性差，在 实际应用中很容易造成磨损失效，为此必须对钛合 金进行表面改性处理【3 - 4J 。在某种特定的工作环 境下，既要求提高钛合金耐磨性，同时还要求对抗热 疲劳性影响较小。在这一背景下，研究了瞬态电能 表面强化和离子束增强沉积技术 I B E D 相结合，在 钛合金表面形成复合强化层，并研究了复合强化后 对钛合金的热疲劳性能的影响。 1实验方法 T i l 7 钛合金加工成图1 所示的热疲劳试样。 试样经8 0 0 号砂纸打磨，去除表面的氧化膜，然后用 丙酮清洗。用S Q 一2 型瞬态电能表面强化器，在氩 气的保护下。分别采用Y G ～8 硬质合金和硅青铜合 金电极在T i l 7 表面形成瞬态电能表面强化层，工艺 参数为电容1 8 0 ／u F ，电压6 0 V 。然后在P I E M A D 0 3 离子束增强沉积磁控溅射设备上，用离子束增强 沉积 I B E D 铜合金，磁控靶材为硅青铜。沉积前先 用氩离子束清洗试样表面1 0 m i n ，沉积过程中用氩 离子轰击沉积的膜层，沉积时间1 h 。先后两种表面 处理方法在T i l 7 热疲劳试样表面形成了复合强化 收稿日期2 0 0 6 0 l 一2 6 基金项目民口配套研制项目 钛合金表面改性技术研究 作者简介王少鹆 1 9 7 7 一 ，男，西安市人，硬士生，主要从事材料 表面改性等方面的研究。 层。 图1热疲劳试样形状及尺寸 F i g ．1S p e c i m e no ft h e r m a lf a t i g u e 采用光辐射加热一黑体吸收冷却原理自制的热 疲劳试验机，在空气介质中测量复合强化试样和未 强化试样的热疲劳性能。热循环温度区间为2 5 ℃ - - 5 0 0 ℃，分别在热循环0 ，5 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 次下 测量试样的电阻，测量装置为四8 4 型数字直流电 桥，其最小读数为l O 叫欧姆。利用电阻相对变化 D R 表征热循环对试样的损伤[ 5 - 6 J ，其损伤表达式 为D R 1 一R o ／R N ，式中R o 为初始电阻，R N 为经 过N 次热循环后的电阻。 热循环前后用H I T A C H I S 一4 7 0 0 扫描电镜 S E M 观察复合强化试样剖面的显微组织，以分析 热循环对试样基体及强化层组织的影响。 2 试验结果和讨论 2 ．1 热循环前后的显徽组织比较 瞬态电能表面强化时，电极材料和被强化金属 材料问产生高能局部脉冲放电，使电极材料快速熔 融迁移到工件表面。电极材料和被强化金属材料在 局部高温 5 0 0 0 ～1 0 0 0 0 ℃ 及电离气体产生的高压 下，发生物理化学冶金反应，生成由电极材料和基体 材料组成的复杂金属化合物。当一次脉冲放电完成 后，在热传导和周围介质的散热作用下，表面熔化微 万方数据 2 4 有色金属第5 9 卷 区以极快的速度冷却，形成一个强化点【7 “】。匀速 移动电极，就可以在被强化试样表面形成强化层。 离子束增强沉积时由于离子束的轰击作用，提高表 面层的活性，使膜层的结合性能好，此外离子束的轰 击还可在表面层形成压应力，有利于改善基材的疲 劳性能。 强化试样热循环前的组织如图2 所示。从图2 可知，强化层表面大约有1 ～2 “m 厚的颜色发亮的 离子束增强沉积的硅青铜膜层。由于离子束轰击的 作用，硅青铜膜层的组织非常的致密，膜层中无气 孔，无裂纹等缺陷，而且沉积层和瞬态电能强化层结 合良好。在硅青铜沉积层和基体之间是瞬态电能表 面强化层。在硅青铜电极形成的瞬态电能强化层中 很明显的可以观察到裂纹，微孔等缺陷，尤其是在强 化层和基体的界面处，裂纹和微孔特别明显，而且相 对集中，见图2 a 。硬质合金Y G 一8 电极形成的瞬 态电能强化层的组织比硅青铜电极形成的强化层的 组织要致密一些，但在强化层中也存在一些微小的 孔洞和裂纹，而且在强化层和基体之间存在一个明 显的界面层见图2 b 。瞬态电能表面强化时，电极 和基体材料之间的脉冲放电使电极和基体材料在瞬 间升至高温，而当一次放电结束后，熔化点在周围介 质及基体材料的热扩散的作用下，可迅速的冷却至 室温。这种骤热和骤冷过程中，在细化强化层组织 的同时，可在强化层中产生很大的热应力，导致强化 层产生微裂纹∽- 9J 。此外，基于以下两个原因，瞬 态电能强化层和基体界面处裂纹相对集中强化层 和基体材料的热扩散性不同，在加热和冷却时，膨胀 和收缩不均匀，界面处的热应力相对集中；强化层和 基体之间的结合相对基体材料和强化层内部的结合 要弱一些。存在这种微裂纹将不利于材料的抗热疲 劳性能。 8 一硅青铜电极醪态电能强化 I B E D 硅青铜； b 一Y G 一8 电极瞬态电能强化 硅青铜 图2 热疲劳前试样的组织 F i g ．2I m a g e so fs u r f a c em o d i f i c a t i o ns p e c i m e nb e f o r et h e r m a lf a t i g u e 5 0 次热循环后的组织如图3 所示。从图3 可明显的氧化痕迹，沉积层中可观察到微孔等缺陷。 以看出，5 0 次热循环后试样的组织变化较大，强化强化层的剖面更加粗糙，但没有出现剥落现象。两 层中微孔、裂纹增多。硅青铜沉积层颜色发黑，存在种强化后的试样基体组织的变化都不大。 a 一硅青铜电极瞬态电能强化 I B E D 硅青铜； b 一Y G 一8 电极瞬态电能强化 硅青铜 图3 热疲劳后试样的组织 F i g ．3I m a g e so fs u r f a c em o d i f i c a t i o ns p e c i m e na f t e rt h e r m a lh t i g u e 在热疲劳试验过程中，由于光辐射加热的特点， 可使试样在1 0 s 内升至5 0 0 1 2 ，利用黑体吸热可使 万方数据 第4 期王少鹏等钛合金表面复合强化后的热疲劳性能 温度在9 0 s 降至室温。这种快速的加热和冷却同样 在试样中产生较大的热应力，新产生的热应力和强 化层中本身存在的残余应力叠加，使强化层中局部 的应力增加，一方面导致诱发新的裂纹，另一方面也 可使原来存在的裂纹进一步发展，使强化层中裂纹 的数量和尺寸增加，加速热疲劳损伤。 ． 2 ．2 电阻表征的损伤 在热循环开始阶段 5 ～1 0 次 ，电阻表征的损 伤参量D R 呈直线增加，损伤较大，当热循环数继续 增加时，损伤量增加缓慢，见图4 。对于未强化试 样，D R 在初始阶段急剧增加后，随着热循环的增 加，D R 在一定的范围内有所波动，但总趋势还是呈 缓慢增加。对于两种复合强化的试样，在前1 0 次热 循环时，损伤情况和未强化试样接近，但热循环1 0 次后，D R 出现了差异。硅青铜电极瞬态电能强化 I B E D 硅青铜复合强化试样的变化相对大，在一 定的范围内D R 有所波动。而Y G 一8 电极瞬态电 能强化 I B E D 硅青铜复合强化试样的D R 变化较 小，曲线比较光滑，但在热循环3 0 次后D R 略有减 小。从图4 可知，强化试样的损伤比未强化试样略 微大一些，热疲劳性能略有下降，但降低值很小，可 以认为强化工艺对试样的热疲劳性能影响不大。 根据损伤力学理论，当材料中的有效承载面积 减小时，材料的电阻值增大。而材料中有裂纹产生 时，可减小其有效承载面积，通过测量试样在热循环 过程中的电阻变化，可以正确反映材料的热疲劳损 伤【加q l J 。前已述及，强化试样在瞬态电能表面强 化时，强化层中已经存在裂纹，热疲劳中反复的快速 加热和冷却使裂纹的数量和尺寸增加，增加了损伤。 但当损伤量累计到一定程度后，裂纹进一步的产生 和发展都相对困难，损伤增加变缓。从图3 中可以 看出，由于强化层的保护作用，强化试样的基体组织 蠢 羹 图4 损伤参数D R 随循环数的变化曲线 ‘F i g ．4 V a r i a t i o n so fd a m a g ep a r a m e t e rD Rw i t hc y c l e s 没有明显的变化，裂纹只是在强化层中产生和扩展， 所以对于强化试样，其电阻表征的损伤增量主要是 强化层的损伤造成的u2 | 。对于未强化试样热疲劳 的初始阶段，由于表面氧化生成氧化膜，宏观表现为 起始阶段损伤急剧增加，但当热循环到一定周次后， 所形成的氧化膜使氧化过程不能继续，宏观表现为 损伤增加缓慢。试验中热疲劳的加热温度低，热循 环周次少，很难在未强化的T i l 7 材料中引起裂纹， 所以其损伤主要是表面氧化造成的。综合以上分 析，得到D R 表现为图4 的变化趋势。 3结论 T i l 7 复合强化后，在瞬态电能强化层中存在气 孔和微裂纹，强化层和基体界面处的缺陷相对集中。 2 5 ～5 0 0 ℃热疲劳后，强化层中裂纹的数量和尺寸增 加，存在氧化痕迹。5 0 次热循环后没有出现剥落现 象。强化试样热疲劳后电阻表征的损伤量比未强化 试样略大，可近似认为复合强化对T i l t 的热疲劳性 能影响很小。 参考文献 ● [ 1 ] 张喜燕，赵永庆，白晨光．钛合金及应用[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 5 2 3 7 2 4 3 ． [ 2 ] D o n g ．H ，B e l lT ．E n h a n c e dw e a rr e s i s t a n c eo ft i t a n i u ms u r f a c e sb ya n e w tt h e r m a lo x i d a t i o nt r e a t m e n t [ J ] ．W e a r ，2 0 0 0 ，2 3 8 2 ；1 3 1 1 3 7 ． [ 3 ] 张高会，潘俊德，张平则，等．钛合金表面双层辉光离子无氢渗碳层摩擦磨损性能研究[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 4 ，2 4 2 l l l 1 1 4 ． [ 4 ] 觚Z h e c h e v a ，W e iS h a ，S a v k oM a l i n o v ，e ta 1 ．E n h a n c i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft i t a n i u ma l l o y st h r o u g hn i t r i d i n g a n do t h e rs u r f a c ee n g i n e e r i n gm e t h o d s [ J ] ．S u r f a c e C o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，2 0 0 7 2 1 9 2 2 2 0 7 ． [ 5 ] 孙斌祥，郭乙木．基于电能耗散的金属材料疲劳损伤测量[ J ] ．力学，2 0 0 3 ，2 4 3 4 1 6 4 2 2 ． [ 6 ] 李灏．损伤力学基础[ M ] ．济南山东科学技术出版社，1 9 9 2 2 1 0 2 1 1 ． [ 7 ] W a n gR u i j u n ，Q i a nY i y u ，L i uJ u n ．I n t e r f a c eb e h a v i o rs t u d yo fW C 9 2 一C 0 8c o a t i n gp r o d u c e db ye l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o n [ J ] ． 万方数据 2 6有 色金属 第5 9 卷 A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e ，2 0 0 5 ，2 4 0 1 4 4 2 4 7 ． [ 8 ] 陈钟燮．电火花表面强化工艺[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 7 6 一1 9 ． [ 9 ] G a l i n o vI V ，L u b a nRB ．M a s st r a n s f e rt r e n d sd u r i n ge l e c t r o s p a r ka l l o y i n g [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，7 9 1 3 9 1 8 ． [ 1 0 ] B i n x i a n gS u n ，Y i m uG u o ．H i g h - c y c l ef a t i g u ed a m a g em e a s u r e m e n tb a s e dO Ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c ec h a n g ec o n s i d e r i n gv a r i a b l e e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya n du n e v e nd a m a g e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e ，2 0 0 4 ，2 6 5 4 5 7 4 6 2 ． [ 1 1 ] 刘金海，曾大本，汪珞．用电阻法测量球墨铸铁的疲劳损伤[ J ] ．清华大学学报 自然科学版 1 9 9 9 ，3 9 2 1 4 一1 7 ． [ 1 2 ] 杨浇光，耿瑞，周燕佩．热障涂层氧化和热疲劳寿命实验研究[ J ] ．航空动力学报，2 0 0 3 ，1 8 2 1 9 5 2 0 0 ． T h e r m a lF a t i g u eo fC o m p o s i t eS t r e n g t h e n e dL a y e ro fT i l 7A l l o y W A N GS h a o - p e n g ，Q I A OS h e n g - r u ，G EZ h i - h o n g U l t r a 一 辔 一t e m p e r a t u r eS t r u c t u r a lC o m p o s i t e sL a b o r a t o r yo f N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a 、 A b s t r a c t ● T h ec o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r sa r ef o r m e do nt h es u r f a c eo ft i t a n i u ma l l o yT i l 7b ye l e c t r i c a ld i s c h a r g e u s i n gh a r da l l o yY G 一8a n ds i l i c o nb r o n z ea se l e c t r o d e su n d e ra r g o ns h i e l d ，a n dt h e ns i l i c o nb r o n z ea l l o yi sd e p o s i t e db ye n h a n c e di o nb e a m ．T h et h e r m a lf a t i g u et e s t sa r ec a r r i e do u ti na i ra t m o s p h e r eo nt h et h e r m a lf a t i g u e a p p a r a t u sh e a t e db yr a yr a d i a t i o n ．T h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c e so fs p e c i m e na r em e a s u r e da f t e rt h ed e f i n i t en u m b e r o ft h e r m a lc y c l e ．T h em i c r o s t r u c t u r ei sa n a l y z e db yS E Mb e f o r ea n da f t e rt h e r m a lf a t i g u e ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tm i c r o c r a c k sa n dm i c r o p o r ee x i s ti nt h ec o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r s ，a n dd e f e c t sa r ec o n c e n t r a t e do nt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h ec o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e ra n dt h es u b s t r a t e ．A f t e rt h et h e r m a lf a t i g u ei n2 5 ℃～ 5 0 0 ℃，t h ea m o u n ta n ds i z eo fm i c r o c r a c k sa r ei n c r e a s e di nt h es t r e n g t h e n e dl a y e r ，a n dt h es i l i c o nb r o n z ed e p o s i t i o nl a y e r sa r eo x i d i z e d ，h o w e v e r ，c o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r sa r en o tb r e a ko f f ．D a m a g ee v a l u a t e db yt h e r e l a t i v ec h a n g eo fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo ft h es p e c i m e nw i t hc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e ri sab i th i g h e rt h a n s p e c i m e nw i t h o u tc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r ，i no t h e rw o r d s ，t h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo fT i l 7t i t a n i u ma l l o y h a sa1 i t t l ec h a n g ea f t e rc o m p o s i t es t r e n g t h e n i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；t i t a n i u ma l l o y ；c o m p o s i t es t r e n g t h e n e d ；t h e r m a lf a t i g u e ；e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e 万方数据