简介概要

喷丸处理对TiAl合金拉伸性能的影响

来源期刊：稀有金属2009年第5期

论文作者：张继静永娟王新英

关键词：TiAl合金; 喷丸处理; 拉伸性能;

摘要：采用氧化锆颗粒在不同喷射压强下对成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(%,原子分数)的铸造TiAl合金进行喷丸处理实验,分析试样表面状态变化及其对室温拉伸性能的影响,结果表明,喷丸处理增加了表面粗糙度,改变了试样的表面形貌,使表面损伤痕迹的大小和方向均发生变化,且在试样的表面形成残余压应力,这些表面性质的改变程度均随喷射压强的提高而增大;喷丸试样的抗拉强度因表面压应力的存在而有所提高,但由于表面损伤和表面压应力的综合作用,其室温拉伸塑性在1×105Pa喷射压强下增加,而在2×105 Pa和2.5×105Pa的喷射压强下回落到原拉伸塑性水平.

稀有金属 2009,33(05),750-753

喷丸处理对TiAl合金拉伸性能的影响

王新英张继

北京钢铁研究总院高温材料研究所

摘要：

采用氧化锆颗粒在不同喷射压强下对成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr (%, 原子分数) 的铸造TiAl合金进行喷丸处理实验, 分析试样表面状态变化及其对室温拉伸性能的影响, 结果表明, 喷丸处理增加了表面粗糙度, 改变了试样的表面形貌, 使表面损伤痕迹的大小和方向均发生变化, 且在试样的表面形成残余压应力, 这些表面性质的改变程度均随喷射压强的提高而增大;喷丸试样的抗拉强度因表面压应力的存在而有所提高, 但由于表面损伤和表面压应力的综合作用, 其室温拉伸塑性在1×105Pa喷射压强下增加, 而在2×105Pa和2.5×105Pa的喷射压强下回落到原拉伸塑性水平。

关键词：

TiAl合金;喷丸处理;拉伸性能;

中图分类号： TG668

收稿日期：2008-12-25

Effect of Shot Peening on Tensile Properties of TiAl Alloys

Abstract：

The influence of shot peening treatment on the room temperature tensile properties of Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr (%, atom fraction) alloys was studied. Shot peening experiments were performed with zirconia particles at different speed. The surface characteristics of the specimens and their influence on tensile property at room temperature were analysed. The results showed that the surfaces of the peened specimens were rougher than that of the unpeened ones, and the appearance of the specimens was changed by shot peening. In addition, the residual stresses of the peened specimens became compressive compared with the unpeened ones. With the speed increase of the particles, the change was more obvious. Due to the compressive surface stress, the tensile strength was increased. And the compressive stress was considered to be beneficial to ductility. However, the rougher surface was disadvantage for tensile ductility at room temperature. Thus, the room temperature tensile elongation was increased at the particle speed of 1×105 Pa, and maintained at 2×105 Pa and 2.5×105 Pa.

Keyword：

TiAl alloy;shot peening treatment;tensile property;

Received： 2008-12-25

TiA1合金密度低, 高温比强度和比弹性模量较高且抗氧化能力良好, 是一种极具应用潜力的高温结构材料 ^[1,2,3,4] , 而其原子长程有序排列使晶体结构的对称性较低, 导致可开动的滑移系数量较少, 使TiAl基合金的室温塑性较差, 因此具有一定的室温塑性成为其工程应用的前提。研究表明TiAl合金的室温塑性主要决定于成分和组织结构, 另有研究发现其拉伸塑性对表面状态的变化也较为敏感 ^[5] 。

喷丸处理是一种有效提高传统材料疲劳性能的表面处理方法。对TiAl合金进行喷丸处理, 通过引入表面压应力同样可以起到提高疲劳抗力的作用 ^[6,7,8,9] 。如采用氧化锆颗粒对Ti-47Al-1.5Nb-1Cr-1Mn-0.1B-0.1Si (%, 原子分数) 合金进行喷丸处理后, 使其疲劳抗力在粗大全层片组织状态下提高20%, 在细小全层片组织状态下提高60%。该研究同时发现喷丸处理增加了表面粗糙度, 且使表层微观组织发生变化 ^[5] 。

本文针对一种全层片组织的铸造TiAl 合金, 使用氧化锆颗粒在不同喷射压强下对合金的标准拉伸试样进行喷丸处理, 观察试样表面形貌和表层微观组织, 测定表面残余应力, 研究喷丸所产生的表面状态变化及其对TiAl合金室温拉伸塑性的影响。

1 实验

实验选用名义成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr (%, 以下未特殊说明均以原子分数表示成分) 的全层片组织铸造TiAl合金, 采用真空感应悬浮炉熔炼和石墨模具浇注为Ф40 mm×180 mm铸锭, 随后进行1250 ℃/180 MPa/3 h热等静压处理和950 ℃/12 h退火处理。沿铸锭轴向切取试棒, 经车削和磨光处理加工为Ф5 mm×25 mm标距、 M8接口的标准拉伸试样16根。

保留4根标准试样作为1组, 将其余12根试样均分为3组进行喷丸处理。喷丸处理制度如下: 介质为0.3 mm直径的氧化锆颗粒, 喷射压强分别为1×10⁵ Pa, 2×10⁵ Pa和2.5×10⁵ Pa, 试样转速为2 r·min^-1, 总转数为6转。

将各组试样的表面与光洁度标块进行对比确定表面粗糙度, 并采用JSM-6480LV 型扫描电镜的二次电子观察试样表面的形貌。任选各组1根试样, 在MSF22M 型X射线衍射仪上测定试样表面的残余应力, 测定位置选在试样轴向中心处、沿半径方向相隔180°的两点; 将该试样沿径向切开, 对所得截面进行研磨和抛光, 用1%HF+10%HNO₃+89%H₂O (%, 体积分数) 溶液侵蚀该截面, 制得金相试样, 并采用光学显微镜观察试样表层的微观组织; 在INSTRON1186试验机上对其余试样进行室温拉伸实验, 拉伸速率为0.05 mm·s^-1。

2 结果与讨论

影响TiAl合金室温拉伸塑性的表面状态因素主要包括表面形貌、表面残余应力和表层组织等, 本文首先对标准试样和喷丸试样进行表面性质的观察和分析。

2.1 喷丸处理对TiAl合金表面性质的影响

2.1.1 TiAl合金试样的表面形貌与标块对比结果表明, 标准试样的表面粗糙度R_a为0.2 μm; 1×10⁵ Pa喷射压强喷丸试样的表面粗糙度有所增加, R_a为0.4 μm; 2×10⁵ Pa喷射压强的喷丸试样, 其表面粗糙度变得不均匀, R_a在0.4～0.8 μm范围内变化; 而2.5×10⁵ Pa喷射压强的喷丸试样, 其表面更加粗糙, R_a均为0.8 μm。可见, 喷丸处理使试样表面粗糙度增加, 且粗糙度随着喷射压强的提高而增大。

采用扫描电镜的二次电子观察发现, 在标准试样的表面存在与试样拉伸方向垂直且分布均匀的磨削痕迹, 如图1 (a) ; 经过1×10⁵ Pa喷射压强的喷丸处理后, 试样表面磨痕的数量减少、深度变浅, 且磨痕出现间断或不均匀的分布, 但在其他方向可见尺寸短小的损伤痕迹, 如图1 (b) , 这是高速弹丸与试样表面碰撞摩擦的结果。经2×10⁵ Pa和2.5×10⁵ Pa喷射压强的喷丸处理后, 试样表面的磨削痕迹已基本消失, 弹丸与试样表面的摩擦痕迹却明显增多, 表面损伤加重, 出现弹丸与表面撞击形成的微坑, 如图1 (c) , (d) ; 这是由于随着喷射压强的增加, 减轻和消除车削痕迹的作用愈大, 而引入的擦痕也越明显, 对表面的损伤也越严重 ^[10] 。

2.1.2 TiAl合金试样的表面残余应力由X射线应力测试结果 (表1) 可见, 标准试样表面的残余应力均为拉应力, 平均值为+214 MPa; 在1×10⁵ Pa喷射压强下, 喷丸试样表面上拉、压应力状态共存, 但拉应力值相比标样时较低, 所测点的残余应力平均值为-61.5 MPa; 2×10⁵ Pa喷射压强的喷丸试样, 其表面残余应力均为压应力, 平均值为-168 MPa; 当喷射压强达到2.5×10⁵ Pa时, 试样表面两点的残余应力测试结果较为接近, 且平均值增至-360.5 MPa。

图1 试样在扫描电镜二次电子下的微观形貌成像 (图中箭头指向为试样的轴向)

Fig.1 SEM images of the specimens (the direction of the arrow is the axial of the specimen)

(a) Unpeened specimen; (b) , (c) and (d) being the peened specimen with the peening pressure of 1×10⁵ Pa, 2×10⁵ Pa and2.5×10⁵ Pa.respectively

2.1.3 TiAl合金试样的表层组织标准试样表层的微观组织主要为有取向的层片组织, 有少许γ晶粒分布在层片团界, 层片团内α₂和γ板条相互平行交替排列, 如图2所示; 喷丸试样表层微观组织与此相同, 未见有明显变化。本实验所测喷丸试样的表面残余应力也相对较低, 因此, 可能是实验选用的喷射压强较小, 未能引起合金表层微观组织的改变。

2.2 TiAl合金试样的室温拉伸性能

TiAl合金试样的室温拉伸实验结果列于表2中, 可见, 喷丸试样的抗拉强度均高于标准试样的抗拉强度, 且抗拉强度随着喷射压强的增加而有所增加, 在2.5×10⁵ Pa喷射压强下喷丸试样的平均抗拉强度最大, 为545 MPa, 比标准试样的平均抗拉强度增高34 MPa; 而在不同喷射压强下, 喷丸试样的平均室温延伸率出现明显变化, 1×10⁵ Pa喷射压强的喷丸试样, 其室温延伸率由标样的0.5%增至1.0%, 而经过2×10⁵ Pa和2.5×10⁵ Pa喷射压强的喷丸处理, 喷丸试样的平均室温延伸率回落到标准试样室温延伸率的水平。

表1 TiAl合金试样的表面残余应力

Table 1 Surface residual stresses of TiAl specimens

Specimens classification	Surface residual stresses/MPa
Specimens classification	Point 1	Point 2	Avg.
Standard specimens	+249	+179	+214.0
Peening pressure being 1×10⁵ Pa	-169.0	+46.0	-61.5
Peening pressure being 2×10⁵ Pa	-137.0	-199.0	-168.0
Peening pressure being 2.5×10⁵ Pa	-374.0	-347.0	-360.5

图2 未喷丸试样表面层的微观组织

Fig.2 Microstructure of the unpeened-specimen′s surface

表2 TiAl合金试样的室温拉伸性能

Table 2 Tensile properties of the TiAl specimens

Specimens classification	Tensile properties
Specimens classification	σ_b/ MPa	(Avg.)	δ/ %	(Avg.)	ψ/%	(Avg.)
Standard specimens	510	511.7	0.5	0.50	1.0	1.33
	515		0.5		1.5
	510		0.5		1.5
Peening pressure being	535	526.7	1.0	1.00	2.0	2.16
1×10⁵ Pa	520		1.0		2.0
	525		1.0		2.5
Peering pressure being	540	540.0	0.5	0.50	1.0	1.33
2×10⁵ Pa	540		0.5		1.5
	540		0.5		1.5
Peening pressure being	555	545.0	1.0	0.66	2.0	1.33
2.5×10⁵ Pa	530		0.5		1.0
	550		0.5		1.0

在拉伸过程中材料的抗拉强度受表面残余应力的影响, 表面残余拉应力时, 材料承受外施拉应力和表面残余拉应力的共同作用, 相当于使承受载荷增加; 而表面残余压应力能够部分地抵消外加拉应力, 相当于材料承受的载荷降低, 使抗拉强度提高 ^[9] 。本研究TiAl合金标准试样的表面为拉应力状态, 而喷丸试样的表面为压应力状态, 且压应力值随着喷射压强增加而增大。因此, TiAl合金试样的抗拉强度随着表面残余压应力的增加而有所增加, 使喷丸试样的抗拉强度高于标准试样的抗拉强度, 且随着喷射压强增加而增大。

另一方面, 试样表面的磨痕容易引起应力集中而成为裂纹源, 加之磨痕沿周向存在, 与拉伸轴垂直, 导致裂纹源在正应力作用下易沿着周向迅速扩展使试样断裂。在1×10⁵ Pa喷射压强喷丸试样的表面, 磨痕深度减小甚至部分磨痕消失, 且弹丸的摩擦痕迹相比磨削痕迹长度减小、取向改变, 因此试样表面的应力集中程度降低, 加之表面压应力对裂纹扩展的抑制, 总体上有利于材料均匀变形, 使试样的室温延伸率得到提高。随着喷射压强继续增加, 尽管材料表面的磨痕基本上消失但表面出现微坑。在拉伸过程中, 试样的最大主应力平面为径向截面。与磨痕的投影面积相比, 微坑在试样径向截面上的投影面积较大。可见, 微坑这类面缺陷的存在更不利于材料表面应力的均匀分配, 使塑性变形更不均匀, 导致试样延伸率下降。因此, 当喷射压强相对较高时, 尽管试样表面的压应力随着喷射压强的提高而增大, 但表面微坑的影响也增大, 使喷丸试样的室温延伸率又回落到标准试样延伸率的水平。