一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法

摘要

本发明提出一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，通过电、磁及耦合脉冲处理技术改性金属零件的服役性能，高能流密度的电、磁及耦合脉冲在金属零件的特征点进行耦合，以粒子流的能量形式、通过接触或非接触的方式作用于金属零件的局部或全局，实现改善金属零件物理性质、力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能等，达到提高金属零件服役性能的目的，本发明能够实现靶向调节金属零件内应力场分布，提升金属零件服役性能。

权利要求

1.一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)采用电、磁及电磁耦合脉冲发生器对金属零件进行改性，分别向金属零件施加脉冲电场和/或脉冲磁场；

S2)在改性过程中，当金属零件表面温度增加到特定值时，暂停施加脉冲直到金属零件表面温度降至设定值后，测量金属零件的电阻，当测量的电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度超过5％时，再继续脉冲施加改性直至达到设定时长，当降低幅度小于5％时，继续脉冲施加改性至金属零件表面温度再次增加到特定值，重复测量同一检测点的电阻值，直至电阻值降低幅度超过5％。

2.根据上述权利要求1所述的一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，其特征在于，所述步骤S1)中的脉冲电场电流小于1000A/mm2，脉冲磁场强度小于3T。

3.根据上述权利要求1或2所述的一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，其特征在于，所述步骤S2)中的特定值为50℃，设定值为25±0.5℃，设定时长小于1h。

说明书

一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属零件改性的技术领域，尤其涉及一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法。

背景技术

[0002] 金属零件的服役性能，与金属零件形貌、生产过程和加工方法、以及金属零件最终的组织状态(包括微观组织和内应力状态等)密切相关。例如，生产实际中，绝大部分零件并没有将原金属材料优良的组织性能继承下来，这是因为常规热处理技术可以改性材料但无法完全消除金属零件的内应力和微观缺陷(如气体、晶界等)，金属零件在投入使用之前仍存在内应力和大量微观缺陷，这使金属零件在实际使用过程中存在一种潜在的危机，这种危机可能被安全系数掩盖，导致有的金属零件出现早期破坏。针对航空航天、海洋油气、冶金掘进、汽车船舶等不同领域中的轻量级或高性能金属零件，这种潜在的危机已引起人们的注意。

[0003] 为了改善金属零件的内应力和微观缺陷，提升金属零件的服役性能，迫切需要开发一种新型金属零件改性技术方法。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，通过控制能流密度进行金属零件靶向内应力调整、缺陷修复。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0006] S1)采用电、磁及电磁耦合脉冲发生器对金属零件进行改性，分别向金属零件施加脉冲电场和/或脉冲磁场；

[0007] S2)在改性过程中，当金属零件表面温度增加到特定值时，暂停施加脉冲直到金属零件表面温度降至设定值后，测量金属零件的电阻，当测量的电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度超过5％时，再继续脉冲施加改性直至达到设定时长，当降低幅度小于5％时，继续脉冲施加改性至金属零件表面温度再次增加到特定值，重复测量同一检测点的电阻值，直至电阻值降低幅度超过5％。

[0008] 按上述方案，所述步骤S1)中的脉冲电场电流小于1000A/mm2，脉冲磁场强度小于3T。

[0009] 按上述方案，所述步骤S2)中的特定温度值为50℃，设定温度值为25±0.5℃，设定时长小于1h。

[0010] 本发明的有益效果是：提出一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，在分析金属零件失效形式及失效原理的基础上，采用本方法，在保持金属零件原有外形尺寸特征的条件下，通过控制电、磁及耦合脉冲能流密度进行靶向内应力调整、微观缺陷修复和局部微观组织调控，实现调整金属零件物理性质、力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能等，达到提高金属零件服役性能的目的。

附图说明

[0011] 图1为发明一个实施例的试件在电、磁及电磁耦合脉冲改性处理后距离试件表面不同深度处残余应力分布示意图；

[0012] 图2为发明一个实施例的试件在电、磁及电磁耦合脉冲改性处理后试件残余应力变化值；

[0013] 图3为发明一个实施例的试件在处理过程中热像仪检测到的最高表面温度分布图。

具体实施方式

[0014] 为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

[0015] 一种采用电、磁及电磁耦合脉冲改性金属零件的方法，包括如下步骤：

[0016] 1)采用电、磁及电磁耦合脉冲发生器对金属零件进行改性，分别向金属零件施加2
脉冲电场和/或脉冲磁场，脉冲电场电流小于1000A/mm，脉冲磁场强度小于3T；

[0017] 2)在改性过程中，当金属零件表面温度增加到50℃时，暂停施加脉冲直到金属零件表面温度降至25±0.5℃后，测量金属零件的电阻，当测量的电阻值相比改性前的原电阻值降低幅度超过5％时，再继续脉冲施加改性直至达到设定时长，为1h，当降低幅度小于5％时，继续脉冲施加改性至金属零件表面温度再次增加到50℃，重复测量同一检测点的电阻值，直至电阻值降低幅度超过5％。

[0018] 本发明的工作原理如下：

[0019] 把整个金属零件的能量状态分布按高低进行区分，金属零件中必然存在高能量区(如缺陷区和应力应变区)和低能区。假设微观组织状态发生改变的临界能量阈值为E，零件各区域的初始能量状态为E0，金属零件各区域微观组织状态发生改变所需附加能量值为ΔE＝E-E0.金属零件中各区域E0越大，微观组织状态发生改变所需附加的单位能量数就越小。例如，将电磁能量提供给金属零件的附加能量按单位能量Δ的方式累加表示，通过能量耦合，高能区需要1Δ附加能量就可以发生微观组织状态的改变，而低能区则可能需要100Δ附加能量才可发生微观组织状态的改变，进而改善金属零件的服役性能。

[0020] 电、磁及电磁耦合脉冲具有高能量传递速率、高能流密度的特征，高能流密度的电、磁及电磁耦合脉冲在金属零件的某些特征点进行耦合，以线、面粒子流的能量形式，采用接触或非接触的工艺方法，作用于金属零件的局部或全局，以单位能量Δ按步进方式、有选择地对金属零件进行能量补偿，同时控制附加能量的输送方向，即可对金属零件实现靶向内应力调整、缺陷修复和局部组织调控，达到改善金属零件服役性能的目的。

[0021] 以TC11钛合金试件为例，通过改变电、磁及电磁耦合脉冲作用方式，调整所施加的电流大小和磁场的磁感应强度，设计了三种电、磁及电磁耦合脉冲改性工艺，具体工艺参数如表1所示，工艺1为非接触式电磁耦合脉冲改性，工艺2为非接触式磁脉冲改性，工艺3为接触式电流脉冲改性。

[0022] 表1

[0023] 工艺 I(A) te(min) B(T) tm(min)工艺1 3000 20 2 20
工艺2 / / 2 20
工艺3 3000 5 / /

[0024] 其中I表示电流大小，te表示电流作用时间，B表示磁场强度，tm磁脉冲作用时间。

[0025] 采用上述三种工艺进行电磁处理的过程中，热像仪检测到试件表面的最高温度为38.5℃，如图3所示。

[0026] 按照GBT7704对未处理和经工艺1～3处理的TC11试件进行了残余应力分析，按不同的处理工艺分别重复分析5个试件；对未处理和经工艺1～3处理的TC11试件进行了力学性能测试，按不同的处理工艺重复测试5个试件。具体试验方案如表2所示。

[0027] 表2

[0028] 试件 工艺选择 试件分析01-05# 未处理 残余应力分析
06-10# 未处理 力学性能测试
11-15# 工艺1 残余应力分析
16-20# 工艺1 力学性能测试
21-25# 工艺2 残余应力分析
26-30# 工艺2 力学性能测试
31-35# 于艺3 残余应力分析
36-40# 工艺3 力学性能测试

[0029] 对未处理TC11试件和经工艺1～3电磁处理的TC11试件进行残余应力分析，对重复检测试件的检测结果取平均值(见图1)，结果表明，与未处理的TC11试件相比，工艺1条件下，TC11试件残余应力分布梯度明显变小，工艺2残余应力分布梯度次之，工艺3残余应力分布梯度反而变大。与未处理TC11试件残余应力相比，经工艺1～3电磁处理的TC11试件的残余应力变化值(见图2)。

[0030] 对未处理TC11试件和经工艺1～3电磁处理的TC11试件进行力学性能测试，如表3所示，结果表明，与未处理的TC11试件相比，经工艺1处理的TC11试件伸长率、强度和刚度分别提高7.31％、0.25％和0.25％；经工艺2处理的TC11试件伸长率、抗拉强度和刚度分别提高2.20％、0.04％和1.35％；经工艺3处理的TC11试件伸长率、抗拉强度和刚度分别提高3.78％、1.04％和-0.47％。

[0031] 表3

[0032]

[0033] 这表明，该电、磁及耦合脉冲改性技术方法能够调整金属零件的残余应力分布、改善试件的微观组织，提高金属零件的力学性能。标准疲劳检测实验结果也表明，与未经电磁处理的TC11试件相比，工艺1～3条件下TC11试件的疲劳极限分别提高约40％、10.3％及23.6％，疲劳性能得到明显提升。