镁合金高温表面形变强化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于镁合金表面处理技术领域，尤其涉及一种镁合金高温表面形变强化方法。
【背景技术】
[0002]疲劳断裂一直是机械零件和工程构件破坏的最主要的形式。在航空航天、造船、化工机械、交通运输、工程机械等领域中，约有50?90%以上的结构强度破坏是由疲劳破坏造成的。镁合金作为一种发展潜力很大的金属材料，疲劳性能的改善有利于扩大其应用领域。材料的疲劳断裂往往从表面、表面层或表面下层开始，尤其是在应力集中部位，因而改善应力集中部位的承载能力，强化一定深度的表面层可显著提高材料的疲劳强度及延长疲劳寿命。表面形变强化的基本原理就是利用机械能使工件表面产生塑性变形，表面获得形变及细晶强化；表层内微观应力增高；同时，表面塑性变形带来的表面尺寸的变化，引起了表面残余压应力，从而使裂纹扩展的动力一外加拉应力与残余压应力合成的总应力降低，抑制或延迟疲劳裂纹的成核与扩展，能大大提高材料的疲劳强度及延长疲劳寿命。表面形变强化主要有喷丸、滚压和孔挤压等三种工艺。其中，与滚压、孔挤压相比，喷丸工艺不受材料种类、零件几何形状和尺寸大小限制，且成本低、强化效果显著，是最有工业前景的表面形变强化工艺。喷丸处理工艺原理为:利用空气压缩系统中的空压机提供的压缩空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，将旋风分离器内的喷丸介质通过喷砂管吸入喷枪内，然后随压缩空气由喷嘴高速喷出，反复击打试样表面，实现对试样的表面形变强化。
[0003]发明人等在《Journal of Materials Research》(材料研宄学报)2010年第25卷第 6 期 1375 - 1387 页上发表的 Smooth and notched fatigue performance of agingtreated and shot peened ZK60 magnesium alloy (时效热处理以及喷丸处理 ZK60 合金的光滑和缺口疲劳行为研宄)研宄了室温喷丸处理工艺对挤压及时效处理态ZK60镁合金微观组织和高周疲劳性能的影响，结果表明，经室温喷丸处理后ZK60合金的疲劳性能得到了明显提高，且时效热处理能进一步提高室温喷丸的表面形变强化效果。不过，与铝合金和钢铁不同，镁合金为密排六方晶体结构，室温下，镁合金只有基面滑移发生，仅能提供3个几何滑移系和2个独立滑移系，即使棱柱面滑移发生，仍不能满足von Mises判据要求。因而，镁合金在室温下变形困难，塑韧性较差，且基体硬度低，表面难以承受剧烈塑性变形，虽低强度喷丸可较大幅度地提高疲劳性能，但较高强度喷丸会引发表面缺陷和产生微裂纹，故镁合金的室温喷丸强化效果是有限的。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种镁合金高温表面形变强化方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种镁合金高温表面形变强化方法，所述方法包括如下步骤:
[0007]步骤1，对储料罐进行加热，使喷丸介质达到所需温度；
[0008]步骤2，用空气压缩机将空气加压到所需压强后，经输送管道进入高压空气加热装置，对空气进行加热，得150?350°C、压强为0.2?IMPa的高温高压气体；
[0009]步骤3，对镁合金试样进行加热至所需温度；
[0010]步骤4，用高温高压气体喷出喷丸介质击打到镁合金试样表面上，即可。
[0011]作为优选方案，步骤I中，所述所需温度为150°C?350°C。
[0012]作为优选方案，所述所需温度为250V。
[0013]作为优选方案，步骤2中所述压缩空气在高压空气加热装置中所需达到温度为250。。。
[0014]作为优选方案，步骤3中，所述所需温度为150°C?300°C。
[0015]作为优选方案，所述镁合金试样为非稀土镁合金时，所需温度为150°C?250°C;所述镁合金试样为稀土镁合金时，所需温度为200°C?300°C。
[0016]作为优选方案，步骤4中，所述高温高压气体喷出喷丸介质的强度为0.05?0.50mmN。
[0017]作为优选方案，所述镁合金试样为铸态镁合金时，所述高温高压气体喷出喷丸介质的强度为0.20?0.50mmN，所述镁合金试样为变形态镁合金时，所述高温高压气体喷出喷丸介质的强度为0.05?0.30mmN。
[0018]作为优选方案，所述喷丸介质为直径为300 μπι?500 μπι玻璃丸、铸钢丸或陶瓷丸。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0020]1.本发明采用高温高压气体进行喷丸处理，可以时时补充气体在高速流动时带走的热量，确保整个喷丸过程中温度的稳定性，镁合金试样加热温度在镁合金时效温度至时效温度+50°C之间，满足镁合金试样开动非基面滑移系，有利于镁合金塑性的提高，改善变形能力，引起更大的残余压应力；
[0021]2.本发明方法能增强残余应力的稳定性，进一步改善镁合金的疲劳性能；
[0022]3.本发明能扩宽合适喷丸窗口，易于实验操作。
[0023]4.本发明方法简单，容易操作，效果显著。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0025]实施例1
[0026]本实施例涉及一种镁合金高温表面形变强化方法，包括如下步骤:
[0027]本实施例采用挤压态ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金。
[0028]步骤一，利用常规加热装置对储料罐进行加热，使喷丸介质达到250°C ;
[0029]步骤二，用空气压缩机将空气加压到IMPa后，经输送管道进入高压空气加热装置，压缩空气在高压空气加热装置中的温度为250°C，压强为0.6MPa ；
[0030]步骤三，利用常规加热装置对ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金试样进行加热至250 0C ；
[0031]步骤四，利用高温高压空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，喷出直径为400 μ m的高温玻璃丸击打到ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金试样表面上，喷丸强度为0.05mmN。
[0032]实施效果:对高温喷丸后的ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金试样的表面变形层性能进行了测试，其中，最大残余压应力为95MPa，表面粗糙度Ra约为1.2 μ m，变形层显微硬度提高幅度为50HV0.05 ;对疲劳试样进行了 17次疲劳强度测试，其10 7次疲劳强度从高温喷丸前的140MPa提高到200MPa，提高了 60MPa。
[0033]传统方法:取挤压态ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金，利用室温高压空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，喷出直径为400 μ m的室温玻璃丸击打到ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金试样表面上，喷丸强度为0.05mmN。对室温喷丸后的ZK60(Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金试样的表面变形层性能进行了测试，其中，最大残余压应力为75MPa，表面粗糙度Ra约为I μm，变形层显微硬度提高幅度为40HV0.05 ;对室温喷丸后的疲劳试样进行17次疲劳强度测试，其107次疲劳强度从室温喷丸前的140MPa提高到180MPa，提尚了 40MPa。
[0034]从高温喷丸和室温喷丸处理后ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金的表面变形层性能和疲劳强度可以看出，相对传统的室温喷丸处理方法，经本发明高温喷丸处理后，可产生更大的残余压应力和显微硬度，并能增强残余应力的稳定性，进一步提高了ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)镁合金的喷丸强化效果。
[0035]实施例2
[0036]本实施例涉及一种镁合金高温表面形变强化方法，包括如下步骤:
[0037]本实施例采用铸态AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金。
[0038]步骤一，利用常规加热装置对储料罐进行加热，使喷丸介质达到200°C ;
[0039]步骤二，用空气压缩机将空气加压到IMPa后，经输送管道进入高压空气加热装置，压缩空气在高压空气加热装置中的温度为200°C，压强为0.2MPa ;
[0040]步骤三，利用常规加热装置对AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金试样进行加热至200 0C ；
[0041]步骤四，利用高温高压空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，喷出直径为300 μm的高温玻璃丸击打到AZ91 (Mg-9A1_0.5Zn)镁合金试样表面上，喷丸强度为0.50mmN。
[0042]实施效果:对高温喷丸后的AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金试样的表面变形层性能进行了测试，其中，最大残余压应力为130MPa，表面粗糙度Ra约为4.5 μ m，变形层显微硬度提高幅度为60HV0.05 ;对疲劳试样进行了 17次疲劳强度测试，其10 7次疲劳强度从高温喷丸前的60MPa提高到105MPa，提高了 45MPa。
[0043]传统方法:取铸态AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金，利用室温高压空气在喷枪内高速流动形成负压产生的引射作用，喷出直径为3 O O μ m的室温玻璃丸击打到AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金试样表面上，喷丸强度为0.50mmN。对室温喷丸后的AZ91(Mg-9Al-0.5Zn)镁合金试样的表面变形层性能进行了测试，其中，最大残余压应力为lOOMPa，表面粗糙度Ra约为4 μ m，变形层显微硬度提高幅度为45HV0.05 ;对室温喷丸后的疲劳试样进行17次疲劳强度测试，其107次疲劳强度从室温喷丸前的60MPa提高到90MPa，提尚了 30MPa。
[0044]从高温喷丸和室温喷丸处理后AZ91 (Mg-9Al-0.5Zn)镁合金的表面变形层性能和疲劳强度可以看出，相对传统的室温喷丸处理方法，经本发明高温喷丸处理后，可产生更大的残余压应力和显微硬度，并能增强残余应力的稳定性，进一步提高了AZ91(Mg-9Al-0.5Zn)镁合金的喷丸强化效果。
[0045]实施例3
[0046]本实施例涉及一种镁合金高温表面形变强化方法，包括如下步骤:
[0047]本实施例采用挤压态GW1