一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法

本发明涉及金属表面改性，特别是一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法。

背景技术：

1、钛合金具有比强度高、热稳定性好、耐腐蚀和生物相容等优点，在航空航天、海洋和医疗等领域被广泛应用。其中，航空发动机在高速、高温和高压复杂环境中服役，对钛合金叶片的抗疲劳性能要求非常高。深海航行器对钛合金构件的耐腐蚀能力要求不断提升，一旦钛合金腐蚀会导致破损和泄露引发不可估量的后果。医用钛合金植入体在跑步、跳跃和行走等活动中受到强烈的摩擦作用，要求钛合金植入体具有优异的耐磨损性能。铣削作为钛合金构件制造的关键环节，铣削表面变质层已成为制约钛合金构件抗疲劳、耐腐蚀和耐磨损性能的共性难题。研究表明钛合金铣削表面变质层内不规则微结构(晶粒弯折、拖曳、扭曲及断裂等)是制约材料对外载荷响应性能的根本原因。为了解决该问题，研究人员通常采用铣削+喷丸相结合的加工方法来弥补表面变质层缺陷。但对于飞机框架和深海耐压舱等大型复杂钛合金构件，受喷丸设备尺寸限制难以后处理，成为大型高可靠服役构件制造的技术瓶颈。因此，如何在铣削阶段原位解决表面变质层内不规则微结构成为备受关注的前沿热点问题，对从源头上实现钛合金构件高性能制造具有重要意义。

2、此外，对于实施方案和设备方面，传统的喷丸均匀性难以控制，喷丸表面粗糙度难以保证，采用后续喷丸难以降低生产时间和成本。所以在手段和实施设备方面提出创新设计刀具结构和工作执行器满足切削和冲击复合功能，实现交变叠加铣削原位创成多级微纳梯度结构表层。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构方法，包括以下步骤：

4、s1、将待加工钛合金工件表面进行铣削处理为光滑表面；

5、s2、将铣削处理后的待加工钛合金工件固定在数控万能回转头铣床上，其中，数控万能回转头铣床的刀柄上安装有渐变微刃冲击头，冲击头与待加工钛合金工件的接触端设计为半球状，半球状的直径分别为10mm或12mm，然后进行交变叠加铣削待加工钛合金工件表面：

6、s21、控制冲击头往复逆/顺交替换向铣削运动与轴向冲击同步运动相配合加工钛合金工件表面，使钛合金表层微组织在多重应力复合作用下生成多级微纳梯度结构；

7、s3、使用电火花切割机床将加工后的工件进行切片，将截取好的试样放入超声波清洗仪使用无水乙醇进行清洗，保证表面无其他附着物，随后对试样进行截面微观组织观测。

8、进一步地，控制冲击头往复逆/顺交替换向铣削运动与轴向冲击同步运动相配合加工钛合金工件表面时换向次数、往复道数、冲击参数的调控，具体设置为：进给速度为40-60mm/min，冲压深度为0.1-0.15mm；冲击间隔为1-2mm；逆/顺换向次数1次；往复道次1-3次；冲击频率为70hz。

9、进一步地，所述kroll试剂由体积比hf：hno3：h2o＝2：1：17组成。

10、进一步地，所述步骤s3中，对试样进行截面微观组织观测是通过金相镶块机完成试样的制备，设置温度150℃保压10min冷却后取出，对试样进行打磨和抛光；然后，使用kroll试剂对抛光后试样表面进行腐蚀，腐蚀时间为45s。

11、进一步地，所述步骤s3中，依次采用400目、800目、1000目、1500目和3000目砂纸对试样进行打磨和抛光。

12、与现有技术相比，本发明通过交变叠加铣削待加工钛合金工件表面制得多级微纳梯度结构表层，钛合金多级微纳梯度结构表层的晶粒尺寸从表面纳米尺度呈梯度连续变化逐渐增加到基体微米尺度，有利于强度与韧性匹配，提高本征力学性能：一方面，可以防止晶粒尺度或层片厚度突变而导致的力学性能突变；另一方面，可以使不同晶粒尺寸对应的作用机制同时表现出来促进材料进行相互协调变形，从而提高材料的使役性能。

技术特征：

1.一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，其特征在于：控制冲击头往复逆/顺交替换向铣削运动与轴向冲击同步运动相配合加工钛合金工件表面时换向次数、往复道数、冲击参数的调控，具体设置为：进给速度为40-60mm/min；冲压深度为0.1-0.15mm；冲击间隔为1-2mm；逆/顺换向次数1次；往复道次1-3次；冲击频率为70hz。

3.根据权利要求1所述的交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，其特征在于：所述kroll试剂由体积比hf：hno3：h2o＝2：1：17组成。

4.根据权利要求1所述的交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，其特征在于：所述步骤s3中，对试样进行截面观测是通过金相镶块机完成试样的制备，设置温度150℃保压10min冷却后取出，对试样进行打磨和抛光；然后，使用kroll试剂对抛光后试样表面进行腐蚀，腐蚀时间为45s。

5.根据权利要求4所述的交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，其特征在于：所述步骤s3中，依次采用400目、800目、1000目、1500目和3000目砂纸对试样进行打磨和抛光。

技术总结本发明属于金属表面改性技术领域，具体公开了一种交变叠加铣削原位制备钛合金表层多级微纳梯度结构的方法，将待加工钛合金工件表面进行铣削处理为平面；然后进行交变叠加铣削待加工钛合金工件表面；最后依次进行清洗、打磨、抛光、腐蚀处理。与现有技术相比，本发明通过交变叠加铣削待加工钛合金工件表面制得多级微纳梯度结构表层，钛合金多级微纳梯度结构表层的晶粒尺寸从表面纳米尺度呈梯度连续变化逐渐增加到基体微米尺度，有利于强度与韧性匹配，提高本征力学性能：一方面，可以防止晶粒尺度或层片厚度突变而导致的力学性能突变；另一方面，可以使不同晶粒尺寸对应的作用机制同时表现出来促进材料进行相互协调变形，从而提高材料的使役性能。技术研发人员：侯宁,远通,王明海,孔宪俊,王学智,王启家受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/11/21