通过搅拌摩擦加工提高工业纯钛耐磨性能的方法

摘要

本发明公开了一种通过搅拌摩擦加工提高工业纯钛耐磨性能的方法，包括以下步骤：1)对待处理的钛材进行搅拌摩擦加工处理，搅拌头转速为150～250rpm，加工速度为10～50mm/min，加工过程中需进行强制冷却；2)将加工后表面弧形纹路打磨平整；3)将步骤1)制备的样品进行520～570℃热处理，处理时间30～60min。通过搅拌摩擦加工对晶粒细化，结合精细热处理工艺，可实现晶粒细化并调控细晶材料内部储存能，获得应力较小的工业纯钛细晶结构组织，该工艺可在晶粒细化后有效调节工业纯钛加工硬化水平，达到最优的耐磨损组织特征。通过本发明的工艺，可有效提高工业纯钛耐磨性能，可扩大工业纯钛的使用范围。

说明书

技术领域

本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种通过搅拌摩擦加工提高工业纯钛耐磨性能的方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、密度小(比钢小40％)、耐腐蚀性强、耐热性高等优点，在航空航天、石油化工、交通运输、生物医学等领域得到广泛应用。常规钛合金因具有低塑性剪切抗力、低加工硬化率以及抗划擦性能差等缺点，导致钛及钛合金零部件在服役过程中受到磨损作用而失效。

金属材料中主要强化机理为固溶强化、加工硬化、细晶强化以及弥散强化。除细晶强化外，其他三种强化方法在提高材料强度的同时会一定程度的损失材料的塑性。因此，细化晶粒成为提高金属材料并保持良好塑性的重要途径。通过细化晶粒，可提高钛合金综合力学性能及耐磨性。

搅拌摩擦加工技术由搅拌摩擦焊技术衍生出，利用非消耗式搅拌头“旋转-搅拌-行进”复合机械运动，使加工区金属材料经历剧烈塑性变形，搅拌区组织发生反复动态再结晶行为，实现加工组织致密化、细晶化和均匀化。利用搅拌摩擦加工技术，可选择性的细化零件表面晶粒尺寸，提高材料表面综合性能。有研究表明，由于剧烈塑性变形后样品内部存在加工应力，影响细晶组织的力学性能表现。而对于微纳结构细晶组织，晶界迁移激活能较低，退火处理中易发生晶粒长大，破坏其细晶结构。

发明内容

本发明提供了一种设备要求低、操作简便、可控性高的通过搅拌摩擦加工提高工业纯钛耐磨性能的方法。

实现该目的的技术方案是：

一种通过搅拌摩擦加工提高工业纯钛耐磨性能的方法，包括以下步骤：

1)对待处理的钛材进行搅拌摩擦加工处理，搅拌头转速为150～250rpm，加工速度为10～50mm/min，加工过程中需进行强制冷却；

2)将加工后表面弧形纹路打磨平整；

3)将步骤1)制备的样品进行520～570℃热处理，处理时间30～60min。

步骤1)的搅拌摩擦加工处理在氩气保护条件下进行。

步骤1)的搅拌摩擦加工处理，搅拌头轴肩直径16mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。

步骤2)的处理过程中需要进行水循环冷却。

步骤3)热处理后进行淬火，加快降温速率。

本发明的有益效果：通过搅拌摩擦加工对工业纯钛进行晶粒细化，结合精细热处理工艺，可实现细晶材料内部储存能调节，获得应力较小的工业纯钛细晶结构组织，该工艺可在晶粒细化后有效调节工业纯钛加工硬化水平，达到最优的耐磨损组织特征。本发明对加工设备要求低、操作简便、可控性高，通过本发明的工艺，可有效提高工业纯钛耐磨性能，可扩大工业纯钛的使用范围。

附图说明

图1为实施例1中热处理前后搅拌摩擦加工工业纯钛EBSD-BC图，其中(a)为搅拌摩擦加工后形貌组织，(b)为550℃-30min热处理后形貌组织。

图2为实施例1中搅拌摩擦加工工业纯钛摩擦磨损实验后磨痕3D形貌，其中(a)为搅拌摩擦加工后样品磨损形貌，(b)为550℃-30min热处理后样品磨损形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。

以下实施例均采用钨铼合金搅拌头进行搅拌摩擦加工处理，搅拌头轴肩直径16mm、搅拌针长度3mm、搅拌针根部直径6mm、端部直径4mm。实验材料选用退火态工业纯钛TA2板材，加工前利用超声波清洗掉试样的表面油污。

钛及钛合金在550℃以上进行机械加工易氧化，因此搅拌摩擦加工中需全程通入高纯氩气对板材进行保护，同时防止板材在加工过程中发生氧化污染问题。

摩擦磨损实验使用往复摩擦磨损试验仪测试材料耐磨性能，载荷10N，频率2Hz，行程1cm，测试时间30min。

实施例1

按照如下步骤操作：

1)搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速180rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°，加工过程中对板材强制冷却(采用水循环冷却)以保持应变储存能和剧烈塑性变形后再结晶产生的细晶组织。

2)将搅拌摩擦加工处理后的样品表面打磨平整，打磨过程中利用水循环冷却。

3)热处理炉加热到550℃，到温后放入步骤2)处理后的板材样品，保温30min后取出淬火。

未处理过的工业纯钛磨损率为1.5×10^-3mm³/N·m。经过本发明步骤1)、2)后板材的EBSD-BC图如图1a所示，样品磨损形貌如图2a所示，工业纯钛磨损率为8.3×10^-4mm³/N·m；然后接着经过步骤3)热处理后板材的EBSD-BC图如图1b所示、样品磨损形貌如图2b所示，工业纯钛磨损率为5.0×10^-4mm³/N·m。经过本发明步骤处理后细晶工业纯钛较粗晶纯钛磨损率降低了67％。

实施例2

按照如下步骤操作：

1)搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速180rpm，加工速度25mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。加工过程中对板材强制冷却以保持应变储存能和剧烈塑性变形后再结晶产生的细晶组织。

2)将搅拌摩擦加工处理后的样品表面打磨平整，打磨过程中利用水循环冷却。

3)热处理炉加热到550℃，到温后放入样品，保温60min后取出淬火。

未处理过的工业纯钛磨损率为1.5×10^-3mm³/N·m。经过本发明步骤1)、2)后热处理前工业纯钛磨损率为8.3×10^-4mm³/N·m，然后接着经过步骤3)热处理后工业纯钛磨损率为7.2×10^-4mm³/N·m。经过本发明步骤处理后细晶工业纯钛较粗晶纯钛磨损率降低了52％。

实施例3

按照如下步骤操作：

1)搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速250rpm，加工速度10mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。加工过程中对板材强制冷却以保持应变储存能和剧烈塑性变形后再结晶产生的细晶组织。

2)将搅拌摩擦加工处理后的样品表面打磨平整，打磨过程中利用水循环冷却。

3)热处理炉加热到570℃，到温后放入样品，保温30min后取出淬火。

未处理过的工业纯钛磨损率为1.5×10^-3mm³/N·m。经过本发明步骤1)、2)后热处理前工业纯钛磨损率为9.4×10^-4mm³/N·m，然后接着经过步骤3)热处理后工业纯钛磨损率为5.9×10^-4mm³/N·m。经过本发明步骤处理后细晶工业纯钛较粗晶纯钛磨损率降低了61％。

实施例4

按照如下步骤操作：

1)搅拌摩擦加工工艺采用搅拌头转速150rpm，加工速度50mm/min，轴肩下压量0.5mm，搅拌头倾斜角3°。加工过程中对板材强制冷却以保持应变储存能和剧烈塑性变形后再结晶产生的细晶组织。

2)将搅拌摩擦加工处理后的样品表面打磨平整，打磨过程中利用水循环冷却。

3)热处理炉加热到520℃，到温后放入样品，保温60min后取出淬火。

未处理过的工业纯钛磨损率为1.5×10^-3mm³/N·m。经过本发明步骤1)、2)后热处理前工业纯钛磨损率为8.7×10^-4mm³/N·m，然后接着经过步骤3)热处理后工业纯钛磨损率为5.5×10^-4mm³/N·m。经过本发明步骤处理后细晶工业纯钛较粗晶纯钛磨损率降低了63％。