表面喷丸工艺提高金属材料的疲乏性能

表面喷丸强化

喷丸(氧化锆陶瓷砂)是指以较高速度的速度喷射弹丸到金属材料的表面而使其发生塑性变形的一种过程，示意图如图1 所示，表面喷丸强化属于表面改性技术的一种，再细分时，通常将其归类为表面形变强化。这是一种在金属表面施加较大的压应力而发生形变，终达到强化目的的一种方法。一般工艺条件下喷丸后的金属表面会形成厚度超过0．1 mm 的强化层，又称塑性变形层.

如图2 所示，喷丸前后，工件在微观组织上，晶粒细化更加显著，位错和晶格畸变的密度也大大增加。在应力分布及状态上，在金属表面形成较大的残余压应力，正是这种应力分布特点使得材料的疲乏寿命也大幅度提高。在这个过程中发生三种强化即应力强化、组织强化、相变强化，多种强化的叠加是得材料在硬度、强度和疲乏寿命等方面都会有较大程度提高，其中对疲乏寿命影响的是应力强化。

喷丸后的材料表面主要为残余压应力，这种应力状态与外载相互抵消一部分后，减小了应力的幅值，使其可能低于疲乏因此避免了疲乏裂纹的萌生。

Ti60 高温钛合金的喷丸强化

Ti60 是一种我国自行研制的一种耐高温合金，主要是作为航空发动机中整体叶盘的材料，在其服役过程中容易发生高频振动，故其在高温下的高周疲乏寿命是十分重要的研究内容。王欣等研究者就喷丸覆盖率这一参数与疲乏性能之间的关系进行了探究，旋转弯曲疲乏试样的尺寸如图6 所示，喷丸覆盖率分别为100%、200%、400% 以及一组不喷丸处理对照组，且记为A、B、C、D 四组，疲乏试验中应力幅值为430 MPa，温度为600 ℃ 。

喷丸后表面形貌的三维图像如图7 所示，可以看出原始磨削试样的表面粗糙度低，200% 覆盖率下粗糙度也较好，但是400% 覆盖率时，粗糙度反而升高，说明在400%下材料发生了剧烈的塑性变形。

在喷丸前材料的残余应力在表面处，残余压应力达到208 MPa，喷丸后残余应力分布如图8 所示，200%覆盖率下残余应力，30 μm 处达到－605 MPa，100% 和400% 覆盖率的残余应力相差较小，但是残余应力的分布上，400%下残余应力的值出现的更深。

在疲乏实验中，未喷丸试样的疲乏寿命约106 周次，如图9 所示，三种不同覆盖率的喷丸强化后分别提升了2 倍、4 倍、2．2 倍，其中200%覆盖率喷丸对试样抗疲乏性能提升效果显著。

结语

疲乏断裂是导致许多承受重复载荷的工件失效的主要形式，给航空航天、船舶航运以及其他工农业生产造成了不可估量的损失。喷丸技术具有一种较为完备的工艺条件，并且已经在一些实验中证实喷丸可以切实有效提高工件的疲乏寿命，如果进一步降低工艺成本便可很好地推广到解决疲乏失效的问题中。将原有的工件制造工艺进行改进和完善，附加上喷丸这一表面处理工艺可以在资源高效利用、节能减排等方面做出突出贡献。