TC4钛合金与钛基复合材料喷丸强化及其XRD表征

摘要

钛合金与钛基复合材料因高的比强度系数，好的延展性等优异性能，广泛应用在航空、汽车等工业领域。作为重要的表面强化方法，喷丸处理可以显著改善和提高材料表面性能。为了改善钛合金和钛基复合材料的表面性能，选取TC4钛合金(Ti-6Al-4V)与钛基复合材料(TiB+TiC)/TC4，对其进行表面喷丸强化处理，同时对喷丸强化层性能进行表征研究。
　　喷丸层残余应力的研究表明，喷丸强化在材料表层引入了高的残余压应力，复合喷丸和预应力喷丸都能明显优化其残余应力场。在0.3mmA+0.15mmA复合喷丸强度下，材料 TC4、5％(TiB+TiC)/TC4和8%(TiB+TiC)/TC4表层最大残余压应力分别为-813，-857和-859 MPa，残余压应力层深分别约300，250和250μm。改变喷丸强度，残余压应力层深随喷丸强度的提高而增加。预应力喷丸能显著增加残余压应力，加载预应力越大，表层残余压应力增加越明显。
　　对喷丸表层残余应力的热松弛行为进行研究，发现残余压应力在整个变形层中都发生了松弛，起始阶段松弛比较明显，然后逐渐趋于稳定，其热松弛过程可以用Zener-Wert-Avrami函数描述，基于该函数，可以得到复合材料松弛机制参数m，激活焓?H和松弛激活能QRS，分别为0.4483，2.92 eV和282 kJ/mol。其中QRS要比α-Ti和β-Ti的自扩散激活能都要高。钛合金喷丸残余压应力在外加载荷下的松弛行为显示，外加载荷越高，应力松弛越明显，残余应力稳定值越小。
　　为了研究增强体内部及其周围的残余应力分布，利用ANSYS有限元分析软件，建立3D动态模型模拟复合材料喷丸残余应力分布。结果显示增强体承受了材料喷丸后绝大多数残余拉应力，而基体内部表现的都是残余压应力，最大残余压应力和拉应力分别为-1511 MPa和+1155 MPa。这种应力分布充分体现增强体高屈服强度的特点，对表层力学性能不利的残余拉应力都集中在增强体内，避免其对基体材料的破坏。
　　为了研究喷丸层组织结构变化，利用Voigt线形分析方法计算喷丸后晶块尺寸、显微应变和位错密度分布。结果表明，喷丸后晶块尺寸在表面最小（约50nm）。同一喷丸条件下，钛合金晶块尺寸小于复合材料，显微应变数大于复合材料。喷丸后平均位错密度大幅提高，起因于高动能的喷丸弹丸，和增强体对位错运动的阻碍。对喷丸钛合金和复合材料组织结构进行 Rietveld结构精修全谱拟合，所得计算结果与 Voigt分析方法结果一致。
　　喷丸层高温下的组织结构变化显示，等温退火过程中，复合材料的重结晶激活能要大于钛合金，两者分别为341 kJ/mol和294 kJ/mol。通过微应变的松弛分析，得到复合材料和钛合金的微应变松弛能分别为288 kJ/mol和273 kJ/mol。结果表明复合材料的热稳定性要高于钛合金材料，主要由于增强体的存在对残余应力具有稳定作用。
　　对喷丸表层硬度进行研究发现，表面硬度最大，沿着层深逐渐减小。三种样品中，8%(TiB+TiC)/TC4表面硬度最大，约630 Hv，较喷丸前提高了52%。等温退火后硬度变化显示，450oC退火后材料的硬度要低于350oC退火后的值，由于增强体的存在，同一温度处理后钛合金的硬度低于复合材料。
　　利用原位拉伸X射线应力测定方法研究了TC4钛合金喷丸后表面屈服强度，结果显示喷丸后表面屈服强度为1080 MPa，较喷丸前(约850MPa)提高了27%。喷丸前后钛合金的疲劳性能显示，在疲劳寿命为107循环次数下，疲劳强度从未喷丸的550 MPa提高到620 MPa，增加13%。对疲劳断口的照片分析表明，疲劳裂纹起源于材料次表面，证明喷丸可有效避免疲劳裂纹源在表面的萌生。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 钛合金与钛基复合材料概要

1.3 材料的喷丸强化处理

1.4 喷丸层残余应力及组织结构表征

1.5 喷丸残余应力有限元模拟

1.6 选题意义及研究内容

参考文献

第2章 材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 喷丸处理

2.3 实验方法

第3章 TC4钛合金与钛基复合材料喷丸残余应力研究

3.1 喷丸残余应力及其分布

3.2 残余应力松弛行为

3.3 喷丸均质模型数值模拟

3.4 喷丸非均质模型数值模拟

3.5 本章小结

参考文献

第4章 TC4钛合金与钛基复合材料喷丸层组织结构分析

4.1 喷丸层组织结构XRD线形分析

4.2 Rietveld 全谱拟合分析

4.3 高温下喷丸层组织结构变化

4.4 喷丸层横截面形貌

4.5 本章小结

参考文献

第5章 TC4钛合金与钛基复合材料喷丸层力学行为

5.1 喷丸层显微硬度分析

5.2 钛合金喷丸层力学特性研究

5.3 喷丸前后钛合金疲劳性能

5.4 喷丸强化机制

5.5 本章小结

参考文献

第6章 结论与创新

6.1 主要结论

6.2 主要创新

6.3 有待进一步开展的工作

攻读博士学位期间发表论文及申请专利

致谢

答辩决议书