一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法

本发明属于表面处理，尤其涉及一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法。

背景技术：

1、镍基单晶高温合金由于具有优异的高温力学性能而被广泛用做先进航空发动机叶片及重型燃气轮机叶片材料，设备在运行过程中，不可避免地会受到启停、振动等作用，叶片榫头易出现疲劳损伤的问题，限制了其在工业中的进一步应用。

2、表面喷丸强化技术被认为是提升机械构件疲劳性能、延长服役寿命最有效的技术之一。而单晶高温合金表面喷丸强化后，高温回复及再结晶问题限制了其在单晶高温合金领域的发展。目前，针对单晶高温合金再结晶的抑制方法主要包括：高温回复处理、表面渗碳处理、表面涂覆涂层、去除表面变形层等，但是这些方法多为喷丸前处理或后处理过程，难以与表面喷丸技术高效结合，且部分手段再结晶抑制效果并不明显。

3、喷丸强化在单晶高温合金近表层引入了大的应变，在高温服役过程中，应变能驱动单晶表面回复和再结晶，严重损害其高温力学性能。因此高温再结晶问题制约了喷丸强化技术在单晶高温合金领域的应用。现有再结晶的抑制方法设备复杂，步骤繁琐，并且难以与喷丸强化技术有效结合，工程应用具有明显局限性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法，本发明提供的方法获得的产品具有较好的性能并能够抑制其进行再结晶。

2、本发明提供了一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法，包括：

3、在金属粉体的作用下，将单晶高温合金进行超声喷丸处理。

4、优选的，所述金属粉体为al粉。

5、优选的，所述金属粉体的粒径为0.5～100μm。

6、优选的，所述单晶高温合金为镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中的镍含量为60～70wt％。

7、优选的，所述超声喷丸处理在超声波喷丸腔体中进行，所述超声波喷丸腔体包括：

8、超声喷丸腔体、超声喷丸腔体顶盖、超声波喷丸驱动单元、真空泵及氩气瓶；

9、超声喷丸腔体为用于丸粒及金属粉体与试样反复冲击的场所；

10、超声喷丸腔体顶盖用于固定靶材，设有加入金属粉、抽真空和通入ar气的通道；

11、超声波喷丸驱动单元用于提供丸粒对试样表面反复冲击的动力，包括超声波发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声工具头；

12、真空泵用于密闭腔体抽真空处理；

13、氩气瓶用于密闭腔体内ar气的输入。

14、优选的，所述金属粉体设置在超声喷丸处理装置的腔体中，所述金属粉体的体积为腔体体积的1/500～1/300。

15、优选的，所述超声喷丸处理的丸粒为陶瓷丸粒；

16、所述丸粒的直径为1～4mm；

17、所述丸粒在超声工具头的总投影面积为超声工具头面积的20～50％。

18、优选的，所述超声喷丸处理过程中单晶高温合金的处理面与超声工具头之间的距离为5～20mm。

19、优选的，所述超声喷丸处理过程中的超声工作频率为20～30khz，工作振幅为20～60μm，超声喷丸的时间为30～600s。

20、优选的，所述超声喷丸处理完成后还包括：

21、将得到的产品进行热处理；

22、所述热处理的温度为1000～1300℃；所述热处理的时间为2～10h。

23、超声喷丸技术是一种新型喷丸强化技术，该技术可以产生远高于传统喷丸的喷丸强度和残余压应力。同时，由于超声喷丸设备的丸粒在密闭腔体中做无规则运动，若在腔体中加入特定金属粉体，丸粒、粉体和靶材在反复冲击过程中会发生镶嵌、冷焊和扩散过程，最终可在靶材表面制备得到具有一定厚度的合金层。本发明在单晶高温合金超声喷丸过程中，选择可有效抑制其再结晶的金属al粉体进行表面合金化，则可同时完成单晶表面的强化和再结晶抑制。

24、本发明提出了利用超声波喷丸装置强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法，通过合理选择金属粉体类型，粉体体积、丸粒尺寸及喷丸时间，对单晶表面进行超声喷丸合金化处理，既提高了单晶高温合金表面性能，又抑制了再结晶的发生。

技术特征：

1.一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属粉体为al粉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属粉体的粒径为0.5～100μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶高温合金为镍基单晶高温合金，所述镍基单晶高温合金中的镍含量为60～70wt％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声喷丸处理在超声波喷丸腔体中进行，所述超声波喷丸腔体包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属粉体设置在超声喷丸处理装置的腔体中，所述金属粉体的体积为腔体体积的1/500～1/300。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声喷丸处理的丸粒为陶瓷丸粒；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声喷丸处理过程中单晶高温合金的处理面与超声工具头之间的距离为5～20mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声喷丸处理过程中的超声工作频率为20～30khz，工作振幅为20～60μm，超声喷丸的时间为30～600s。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声喷丸处理完成后还包括：

技术总结本发明提供了一种超声喷丸强化单晶高温合金表面并抑制其再结晶的方法，包括以下步骤：①单晶高温合金样品磨抛，获得良好表面质量；②样品固定于喷丸腔体顶盖；③安放陶瓷丸粒；④腔体顶盖固定于喷丸腔体；⑤腔室抽真空并通入Ar气；⑥腔体加入Al粉；⑦单晶表面超声喷丸强化与合金化处理。本发明提供的方法，单晶近表层硬度显著提升，硬化层深度达250～300μm，表面形成5～30μm的Al金属层；经1250℃退火处理后，单晶表面再结晶和胞状再结晶得到显著抑制；使用设备少，操作简单，单次处理时间不超过10min，且强化效果与超声喷丸效果相当，高温退火后再结晶抑制效果显著，可广泛应用于单晶高温合金的表面强化。技术研发人员：李一飞,赵夙,尚晓峰,于磊,罗庸生,谌江涛受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11