表面噴丸強(qiáng)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(guò)程，示意圖如圖1 所示，表面噴丸強(qiáng)化屬于表面改性技術(shù)的一種，再細(xì)分時(shí)，通常將其歸類為表面形變強(qiáng)化。這是一種在金屬表面施加較大的壓應(yīng)力而發(fā)生形變，終達(dá)到強(qiáng)化目的的一種方法。一般工藝條件下噴丸后的金屬表面會(huì)形成厚度超過(guò)0．1 mm 的強(qiáng)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(xì)化更加顯著，位錯(cuò)和晶格畸變的密度也大大增加。在應(yīng)力分布及狀態(tài)上，在金屬表面形成較大的殘余壓應(yīng)力，正是這種應(yīng)力分布特點(diǎn)使得材料的疲乏壽命也大幅度提高。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生三種強(qiáng)化即應(yīng)力強(qiáng)化、組織強(qiáng)化、相變強(qiáng)化，多種強(qiáng)化的疊加是得材料在硬度、強(qiáng)度和疲乏壽命等方面都會(huì)有較大程度提高，其中對(duì)疲乏壽命影響的是應(yīng)力強(qiáng)化。

噴丸后的材料表面主要為殘余壓應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)與外載相互抵消一部分后，減小了應(yīng)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(qiáng)化

Ti60 是一種我國(guó)自行研制的一種耐高溫合金，主要是作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中整體葉盤的材料，在其服役過(guò)程中容易發(fā)生高頻振動(dòng)，故其在高溫下的高周疲乏壽命是十分重要的研究?jī)?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(guān)系進(jìn)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(duì)照組，且記為A、B、C、D 四組，疲乏試驗(yàn)中應(yīng)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(shí)，粗糙度反而升高，說(shuō)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(yīng)力在表面處，殘余壓應(yīng)力達(dá)到208 MPa，噴丸后殘余應(yīng)力分布如圖8 所示，200%覆蓋率下殘余應(yīng)力，30 μm 處達(dá)到－605 MPa，100% 和400% 覆蓋率的殘余應(yīng)力相差較小，但是殘余應(yīng)力的分布上，400%下殘余應(yīng)力的值出現(xiàn)的更深。

在疲乏實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化后分別提升了2 倍、4 倍、2．2 倍，其中200%覆蓋率噴丸對(duì)試樣抗疲乏性能提升效果顯著。

結(jié)語(yǔ)

疲乏斷裂是導(dǎo)致許多承受重復(fù)載荷的工件失效的主要形式，給航空航天、船舶航運(yùn)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(shí)驗(yàn)中證實(shí)噴丸可以切實(shí)有效提高工件的疲乏壽命，如果進(jìn)一步降低工藝成本便可很好地推廣到解決疲乏失效的問(wèn)題中。將原有的工件制造工藝進(jìn)行改進(jìn)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(xiàn)。