钛·表面处理

使用适宜的表面处理工艺，例如喷射硬化工艺和化学抛光工艺，它们是单独还是联合使用，对钛及钛合金技术的成功起着关键作用。许多材料断裂的发生，最初都是由材料表面疲劳裂纹引起的。喷射硬化工艺已在钢铁上应用多年了，该工艺的应用使钢铁材料表面产生压应力，从而提高了钢铁的抗疲劳强度。喷射硬化工艺在钛合金方面的应用虽不算最新，但与钢铁上的应用相比，已算较新的技术了。最近，利用激光使材料表面产生压应力的技术已显示出诸多优势，对该技术也将作详细描述。

化学抛光作为一种生产方法，是有选择性的去除钛零部件表面杂质的重要手段，同时也是去除材料表面污染物的重要手段，例如，去除材料在生产过程中的氧化层。在这种情况下，去除材料表面硬而脆的氧化层可实质上提高材料的抗疲劳强度和抗断裂强度。适宜的使用化学抛光工艺是经济和有效的，但使用不当可能会对材料的抗断裂性产生负面影响，化学表面抛光往往会出现喷射硬化产生或恢复材料的表面残余应力。
本节主要讨论这些表面处理工艺的实际情况和优势，也将介绍不恰当的表面处理产生的后果，并且对怎样避免这些不良影响作了概述。

1 喷射硬化
钛试样或表面无应力的部件抗疲劳失效的能力是相当低的，在循环10次时，失效的疲劳强度可以表示为屈服应力的分数，其典型值为0.4～0.5。此外，在制造工艺中采用冷变形，例如冷加工，可以使这个值降得更低。通过塑性变形可在材料表面区域产生压应力，以进一步降低疲劳应力，这是喷射硬化的保护作用。图3.62所示为在材料表面下的喷射硬化局部应力。在设计过程中应保证材料性能的完整性，也就是，通过对样品的低应力磨削以及后续的纵向机械抛光，做出疲劳曲线［即应力修正的S-N曲线和古德曼（Goodman）图］，然后进行疲劳试验，以便获得与所谓“95-99”曲线确定的结构相适应的数据。该曲线以平均应力为函数，定义了给定应力值下的循环寿命，其准确度达95％，99％的数据在曲线上方。很显然，所作的是比较保守的曲线，但其对疲劳设计是合适的。由疏忽引起的表面损坏（缺口，划痕，或滥用器械）可能会影响“保守”疲劳曲线的制定，并能造成疲劳破坏不可预见的风险。喷射硬化之后产生的有利因素要比弥补材料表面损坏大得多，因此，在疲劳产生的损害不是十分严重或者非常大的情况下，可以认为建立了一个防止材料疲劳的“安全网”。这与通常的观察是一致的，即在经喷射硬化的疲劳样品表皮下面具有裂纹引发点。这表明，由于喷射硬化产生的压应力降低了材料表面产生裂纹的敏感度，因此，喷射硬化技术在制造过程中可防止材料表面裂纹的连续产生。表皮下面疲劳断裂产生点的照片如图3.63所示。

喷射硬化工艺对材料抗疲劳性能的优势取决于其交替应力和工作温度，其中任何一项操作参数的降低都会对这种优势产生不利影响。低应力幅度下（N≥10°周期），在室温下进行喷射硬化可以使其使用寿命延长30％～50％。这种优势在很高的应力条件下会逐渐减少，而且在N≈10周期时，甚至会完全消失。温度和温控时间的影响不易准确量化，但是长时间在操作温度下，残余应力将会明显减弱，其时间取决于残余应力的衰减。对于大多数的钛合金来说，在300℃以上时，这种应力衰减变得尤为明显。在这种情况下，规模效应也取决于时间，但是大多数的设计都仅取极限值。

外部参数将会影响到喷射硬化效果，包括喷射硬化的类型，硬度和大小，喷射速度和喷射时间。对描述喷射硬化的实践和效果，有几个很好的总体参考值［3.30］。早期的喷射硬化是采用表面喷射球状铁丸来完成的，但最近的总体趋势是使用切割后的棒状铁丸来替代球形铁丸来完成喷射。这是由于球状铁丸喷射破裂后产生的尖角会对材料造成损害。残余压应力随喷射速度和喷射直径的增加而增加。然而，需要考虑的是，较深的压缩层可能会引起组件截面较大范围的变形。为了获得在这些截面上的良好喷射效果，可以通过变换喷射介质，如采用玻璃珠或者含有细小固体颗粒的水滴（蒸汽研磨）。此外，如果喷射硬化组件的尺寸和喷射介质的大小相一致，那么从简单的几何学考虑，应有适宜的均匀压缩层。其他的一些特性，例如，在自由面上转角点的孔洞，可通过较多的喷射来消除危害（过度硬化）。最新的发展趋势是，增加自动喷射设备，以便改善喷射能力，有效控制喷射密度。图3.64所示为喷射发动机组件和自动喷射装置的例子。如图3.65所示，该设备被放置在一个六轴的CNC自动喷射机器中，正如上面所提到的，这也有一个被称为过度硬化的现象。这里所提到的如此高强度下硬化，会造成材料表面局部损伤，造成相应抗疲劳能力的锐减。最敏感影响硬化参数的是喷射的尺寸和速度。

材料对喷射硬化的反应随着其微结构和热处理条件的变化而改变。在低周期性或劳测试中，一些钛合金表现出周期性软化或周加性硬化的特性，这同样取决于它们自身材料的微结构条件。例如，已有资料表明，500℃、24h时效处理后的Ti-6Al-4V合金呈现周期性软化，并且这也改变材料对喷射硬化的反应（见图3.66），又例如，时效处理引起的过度面化效果更明显。图3.66清晰地表明了长时间的硬化对于材料的周期性软化疲劳寿命是不利的。图3.67给出了喷射硬化以及过度硬化对材料的有利影响。从图3.67中可清晰地看出，喷射硬化有利于改善钛合金的抗疲劳性能，但也清楚地表明，要合理地使用这项技术，以避免产生不必要的副作用，比如说过度硬化。硬化密度一般通过称为艾蒙（Almen）带的硬化金属样管测定，并且是测量由“带”一侧的残余应力所引起的弯曲或偏角。硬化程度通常根据所希望的艾蒙带的偏角确定。

通常，指定的硬化操作要确保该区域在多次硬化后要被覆盖，这样就保证了喷射硬化覆盖了所有区域，例如，一类疲劳临界区域的覆盖率为200％～400％。由于已讨论过过度硬化带来的不利后果，为避免产生不良后果，必须选择适宜的密度（压力）。