表面噴丸工藝提高金屬材料的疲乏性能

表面噴丸強化

噴丸(氧化鋯陶瓷砂)是指以較高速度的速度噴射彈丸到金屬材料的表面而使其發(fā)生塑性變形的一種過程，示意圖如圖1 所示，表面噴丸強化屬于表面改性技術(shù)的一種，再細分時，通常將其歸類為表面形變強化。這是一種在金屬表面施加較大的壓應力而發(fā)生形變，終達到強化目的的一種方法。一般工藝條件下噴丸后的金屬表面會形成厚度超過0．1 mm 的強化層，又稱塑性變形層.

如圖2 所示，噴丸前后，工件在微觀組織上，晶粒細化更加顯著，位錯和晶格畸變的密度也大大增加。在應力分布及狀態(tài)上，在金屬表面形成較大的殘余壓應力，正是這種應力分布特點使得材料的疲乏壽命也大幅度提高。在這個過程中發(fā)生三種強化即應力強化、組織強化、相變強化，多種強化的疊加是得材料在硬度、強度和疲乏壽命等方面都會有較大程度提高，其中對疲乏壽命影響的是應力強化。

噴丸后的材料表面主要為殘余壓應力，這種應力狀態(tài)與外載相互抵消一部分后，減小了應力的幅值，使其可能低于疲乏因此避免了疲乏裂紋的萌生。

Ti60 高溫鈦合金的噴丸強化

Ti60 是一種我國自行研制的一種耐高溫合金，主要是作為航空發(fā)動機中整體葉盤的材料，在其服役過程中容易發(fā)生高頻振動，故其在高溫下的高周疲乏壽命是十分重要的研究內(nèi)容。王欣等研究者就噴丸覆蓋率這一參數(shù)與疲乏性能之間的關系進行了探究，旋轉(zhuǎn)彎曲疲乏試樣的尺寸如圖6 所示，噴丸覆蓋率分別為100%、200%、400% 以及一組不噴丸處理對照組，且記為A、B、C、D 四組，疲乏試驗中應力幅值為430 MPa，溫度為600 ℃ 。

噴丸后表面形貌的三維圖像如圖7 所示，可以看出原始磨削試樣的表面粗糙度低，200% 覆蓋率下粗糙度也較好，但是400% 覆蓋率時，粗糙度反而升高，說明在400%下材料發(fā)生了劇烈的塑性變形。

在噴丸前材料的殘余應力在表面處，殘余壓應力達到208 MPa，噴丸后殘余應力分布如圖8 所示，200%覆蓋率下殘余應力，30 μm 處達到－605 MPa，100% 和400% 覆蓋率的殘余應力相差較小，但是殘余應力的分布上，400%下殘余應力的值出現(xiàn)的更深。

在疲乏實驗中，未噴丸試樣的疲乏壽命約106 周次，如圖9 所示，三種不同覆蓋率的噴丸強化后分別提升了2 倍、4 倍、2．2 倍，其中200%覆蓋率噴丸對試樣抗疲乏性能提升效果顯著。

結(jié)語

疲乏斷裂是導致許多承受重復載荷的工件失效的主要形式，給航空航天、船舶航運以及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了不可估量的損失。噴丸技術(shù)具有一種較為完備的工藝條件，并且已經(jīng)在一些實驗中證實噴丸可以切實有效提高工件的疲乏壽命，如果進一步降低工藝成本便可很好地推廣到解決疲乏失效的問題中。將原有的工件制造工藝進行改進和完善，附加上噴丸這一表面處理工藝可以在資源高效利用、節(jié)能減排等方面做出突出貢獻。