一种低电导材料的脉冲磁场表面强化设备和方法 |
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| 申请号 | CN202311554499.6 | 申请日 | 2023-11-21 | 公开(公告)号 | CN117965880A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国航发北京航空材料研究院; | 发明人 | 韩劲; 陈梦浩; 倪志铭; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了一种低电导材料的脉冲 磁场 表面强化方法，包括：将需要强化的材料或零件在螺线管或集磁器工作部位，强化的表面贴近螺线管或集磁器表面，即紧贴 电流 源，中间用薄且足够耐压的绝缘材料隔开，防止两者导电；将螺线管引出导电线和设备放电 接线柱 紧密连接，两者 接触 面积应不小于导电线的截面积；根据工艺制度要求，给电容充电至一定的 电压 ，然后打开高压放电 开关 ，对回路进行放电；本申请还提供了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化设备；本申请利用通电线圈的近源效应，不受材料电导率限制，利用脉冲磁场设备，实现 钛 合金 、不锈 钢 、 高温合金 等低电导率材料的表面强化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，其特征在于，所述强化方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种低电导材料的脉冲磁场表面强化设备和方法技术领域[0001] 本申请属于金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种低电导材料的脉冲磁场表面强化设备和方法。 背景技术[0002] 钛合金、不锈钢和高温合金等材料一般硬度都不高，导致耐磨、耐冲刷能力较低，因而需要进行表面强化处理，可以采用涂层、渗层等工艺，也可以采用喷丸、激光冲击等工艺，但实施过程中往往造成变形或表面光洁度的改变，需要后期精整。 [0003] 脉冲磁场强化技术通过高压、大电容的瞬时放电产生的强脉冲磁场，能在良导体材料表面产生几百MPa～几十GPa的冲击压力。利用这一原理，使用一定匝数的螺线管和线盘，对Cu、Al及其合金、高速工具钢进行脉冲磁场强化，已经取得明显成效，但是其对低电导材料的强化却比较困难。 [0004] Cu、Al及其合金的强化主要是利用强磁场感应产生的电流局域在零件的近表面，即趋肤效应，感应电流与磁场的切割形成磁压力。根据趋肤深度的计算公式 (ω角频率：μ磁导率：σ导电率)，高的导电率是脉冲磁场强化作用的关键参数，一般认为电导率低于6.6MS/m则没有强化效果。 [0005] 低电导材料如钛合金、不锈钢和高温合金等电导率均不大于1MS/m，根据常规计算结果，低电导材料的表面感应电流远低于高导电材料，如TC4仅为Cu的1/80，磁压力也仅为1/80，同时因为趋肤深度太大，如图1所示，压力会穿透零件，无法形成有效的压力差，因而起不到强化作用。 [0006] 相对技术中，为了使感应电流必须达到理想趋肤深度，一方面通过降低螺线管的电感，使用匝数更少、线径更宽的螺线管，提高脉冲磁场的频率使励磁磁场激发的感应电流集中在钛板的表层，另一方面适当地降低电容容量，同时提高放电电压以得到足够的脉冲能量，这样励磁磁场与感应涡流磁场之间会形成高达GPa级别的表层磁压力，实现对钛合金板材的强化。但是这样会提高了脉冲磁场设备的制造难度，同时线圈等工装夹具的加工成本很高。而且这种方法仅对板材容易实施。发明内容 [0007] 针对上述技术问题，第一方面，本申请提供了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，所述强化方法包括： [0008] 将螺线管或螺线管加集磁器组合的夹具放入夹紧固定工装中，防止磁场冲击导致夹具和螺线管线圈胀裂； [0009] 将需要强化的材料或零件在螺线管或集磁器工作部位，强化的表面贴近螺线管或集磁器表面，即紧贴电流源，中间用薄且足够耐压的绝缘材料隔开，防止两者导电； [0012] 优选地，所述强化方法还包括： [0013] 打开高压放电开关，对回路进行多次放电。 [0014] 优选地，所述电流源采用螺线管制备。 [0016] 优选地，所述集磁器的强化工作面包括圆形和平面型。 [0017] 优选地，所述集磁器的强化工作面与零件表面相匹配。 [0018] 优选地，所述电流源是螺线管附加高电导材料制成的集磁器制备。 [0019] 优选地，所述强化方法还包括： [0020] 电容放电时线圈中产生电流，材料或零件表面由于近源效应会产生强感应电流，形成高达GPa级别的表层磁压力，作用于所述材料或零件近表面，达到表面强化效果。 [0021] 第二方面，本申请还提供了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化设备，所述强化设备包括： [0022] 螺线管，具有线圈； [0023] 集磁器，设置在所述线圈中；其中，所述集磁器包括第一集磁器和第二集磁器； [0024] 待强化材料，设置在所述第一集磁器和所述第二集磁器之间； [0025] 绝缘材料，设置在所述待强化材料与所述集磁器之间； [0026] 夹紧固定工装，用于固定安装所述螺线管。 [0027] 本申请具有以下有益技术效果： [0029] 图1是Cu、Al、SS304、18Cr2Ni4WA和TC4等材料的电流分布趋肤深度效应对比图； [0030] 图2是圆环电流内部磁场感应强度和圆心磁场的比值随半径相对位置的分布图； [0032] 图4是本发明较佳实施例的板形试样处理工装及零件的分布图； [0033] 图5是本发明较佳实施例的圆形疲劳试样及专用集磁器示意图； [0034] 其中，1.螺线管线圈；2.紫铜集磁器；3.绝缘纸；4.板形试样；2‑1.左紫铜集磁器；2‑2.右紫铜集磁器；4.圆形疲劳试样。 具体实施方式[0035] 请参阅图1‑5，本发明公开了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，将材料放置于靠近脉冲磁场电流源部位，利用脉冲磁场发生器的近源效应，在材料表面产生的强电磁互感耦合作用，达到对材料及零件表面的强化效果。 [0036] 具体包括：在电容充、放电设备中配备一套线圈磁场发生工装，材料或零件放置在工装中，需强化的表面处于贴近线圈电流位置，电容放电时该线圈中产生电流，材料表面由于近源效应会产生强感应电流，足以形成高达GPa级别的表层磁压力，作用于材料或零件近表面，达到表面强化效果。通过上述方法，采用脉冲磁场能够实现对低电导材料表面强化的目的。 [0037] 本发明公开了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，将低电导材料放置于靠近脉冲磁场电流源部位，利用脉冲磁场发生器的近源效应，在低电导材料表面产生的强电磁互感耦合作用，达到对材料及零件表面的强化效果。 [0038] 在电容充、放电设备中配备一套线圈磁场发生工装，材料或零件放置在工装中，需强化的表面处于贴近线圈电流位置，电容放电时该线圈中产生电流，材料表面由于近源效应会产生强感应电流，足以形成高达GPa级别的表层磁压力，作用于材料或零件近表面，达到表面强化效果。 [0039] 常规脉冲磁场强化仅对高电导材料有效，本方法采用材料或零件贴近电流的近源效应，使低电导材料表面也可以获得足够高的磁场压力，实现表面强化。 [0040] 电流源可采用螺线管制备，也可以采用螺线管附加高电导材料(如铝、铜合金等)制成的集磁器制备，需强化的表面要尽可能贴紧电流面。 [0041] 除了高电导材料，钛合金、不锈钢、高温合金等低电导材料都可以通过本方法实现表面强化。 [0042] 所述的电容充、放电设备中配备一套线圈磁场发生工装，将形成放电回路，放电电流采用高脉冲能量和高脉冲频率，更有利于表面强化效果的实现。 [0043] 采用集磁器时，集磁器强化工作面可以是圆形、平面型，也可以做成和零件表面匹配的异形面。 [0044] 在本申请其他实施例中，提供了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，其实施的步骤为： [0045] (1)将螺线管或螺线管加集磁器组合的夹具放入夹紧固定工装中，防止磁场冲击导致夹具和螺线管线圈胀裂； [0046] (2)将需要强化的材料或零件在螺线管或集磁器工作部位，强化的表面贴近螺线管或集磁器表面，即紧贴电流源，中间用薄且足够耐压的绝缘材料隔开，防止两者导电； [0047] (3)将螺线管引出导电线和设备放电接线柱紧密连接，两者接触面积应不小于导电线的截面积； [0048] (4)根据工艺制度要求，给电容充电至一定的电压，然后打开高压放电开关，对回路进行放电，放电次数可以不止1次。 [0049] 本发明主要解决的技术问题是一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，将低电导材料放置于靠近脉冲磁场电流源部位，利用脉冲磁场发生器的近源效应，在低电导材料表面产生的强电磁互感耦合作用，达到对材料及零件表面的强化效果。 [0050] 本发明提供了一种低电导材料的脉冲磁场表面强化方法，在电容充、放电设备中配备一套线圈磁场发生工装，材料或零件放置在工装中，需强化的表面处于贴近线圈电流位置，电容放电时该线圈中产生电流，材料表面由于近源效应会产生强感应电流，足以形成的高达GPa级别的表层磁压力，作用于材料或零件近表面，达到表面强化效果。 [0051] 近源效应来源证明如下所示：半径为a的导电线圈中，根据毕奥萨伐尔定律，磁场感应强度B如式(1)所示，得到位于r处的轴向磁场强度如式(2)所示。 [0052] [0053] [0054] 其中， [0055] [0056] k2＝1 (5) [0057] 式(2)可以转化为式(6)表达，其中，B0是常规计算中的磁场感应强度值，该值实际上是螺线管轴线的磁感应强度，通常认为螺线管内B值是相同的，但这是不严谨的，经过计算发现B0值是螺线管中最低的磁感应强度点，越靠近边缘，磁场越强，其放大系数即为GH，如式(7)所示。 [0058] [0059] [0060] GH值和r的分布关系如图2所示，可以看出，r在贴近a时是一种非常强的放大作用，这里称其为近源效应，当两表面距离足够近时，放大作用可以弥补电导率低导致的感应电流不足。 [0061] 进一步地，根据以上计算和分析，可以利用常规脉冲磁场设备，搭配特殊的工装夹具，让被强化零件的表面尽可能地贴近电流导体表面，可以实现表面强化。 [0062] 进一步地，对于不同类型的需强化零件，工装应保证足够强度防止线圈变形，夹具通电表面设计制作为与零件表面形状相符，夹具可以直接采用螺线管制作，更佳的方法是采用集磁器，集磁器内表面作为工作面，可以非常容易地加工成与零件需强化表面的形状。集磁器材料为良导电体，采用紫铜或纯铝金属块制作，集磁器外缘与线圈相配合，内缘和零件相配合。通过在集磁器上开口实现集磁器的内外表面联通，一般外表面积大于内表面积，当线圈有电流通过时，集磁器外表面产生感应电流，进而在内表面形成放大的电流。 [0063] 进一步地，在进行脉冲磁场设备和螺线管放电电路整体设计时，尽量使脉冲电流频率增高，同时更高的放电电压，有利于实现高的表面感应电流，从而更易实现强化。 [0064] 本发明利用通电线圈的近源效应，可以不受材料电导率限制，利用脉冲磁场设备，实现钛合金、不锈钢、高温合金等低电导率材料的表面强化。 [0065] 需要说明的是，图2是圆环电流内部磁场感应强度和圆心磁场的比值随半径相对位置的分布；其中：GH是不同位置磁感应强度BZ和圆心磁感应强度B0的比值，E，K是式(7)的积分项 [0066] 图3是本发明较佳实施例在TC4材料中的磁场应力随样件表面和电流源距离的分布图，其中，关键有效点为200μm，其磁场应力达到832MPa，高于TC4材料的屈服强度。 [0067] 实施例1，请参阅图3、图4，本发明实施例的一种具体实施方式为： [0068] 使用3mm*5mm扁铜线制作螺线管线圈1，内径为90mm，共30匝。紫铜金属块制作集磁器2，外径为80mm，中间各有5mm厚的绝缘支撑材料。脉冲磁场设备的放电电压为3kV，电容为3000μF，冲击电流为25kA。 [0069] 根据计算，钛合金在近电流源200μm内的磁场力可以达到材料的屈服强度，如图3所示。试样4为钛合金TC4和TiAl合金。试样4为板形试样和拉伸疲劳试样，具体尺寸为40mm长*2.5mm厚*30mm宽。试样4用耐压7kV的绝缘纸3进行包裹，绝缘纸厚度为50μmm，分别放置在如图4的集磁器2中，分别放电次数10次。 [0070] 对脉冲磁场处理后的TC4样品进行显微硬度测量，其表面硬度由HV330增加至HV423，增强幅度达到28.2％。 [0071] 对脉冲磁场处理后的TiAl样品进行显微硬度测量，其表面硬度由HV340增加至HV501，增强幅度达到47.4％。 [0072] 实施例2，请参阅图5，本发明实施例的另一种具体实施方式为： [0073] 试样4为圆形拉伸疲劳试样，拉伸疲劳试样弧顶直径为5mm。采用如实例1的工装和脉冲磁场工艺，为了使试样表面贴近电流源，紫铜集磁器由2‑1和2‑2两部分组成，便于装载试样进行脉冲磁场强化，中间加工成和试样外形相匹配的凹面。试样4用耐压7kV的绝缘纸3进行包裹，绝缘纸厚度为50μmm，放置在图5的集磁器2中，放电次数10次。 [0074] 对脉冲磁场处理后的TC4试样进行轴向拉伸疲劳强度测量，测试参数为(Kt＝1)R＝‑1，N＝106，测得极限强度由363MPa增加到425MPa，提升幅度达到17.1％。 |
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