喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展

《喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展盖鹏涛1’2’，陈福龙1’2’3，尚建勤1’2’3，韩秀全1’2’3(1．中航工业北京航空制造工程研究所，北京1f)f)()24；2．塑性成形技术航空科技重点实验室，北京1(10024；3．数字化塑性成形技术与装备北京市重点实验室，北京100024)[摘要】综述了喷丸强化技术对材料表层残余应力分布、显微组织结构、表面粗糙度和表层硬度分布等表面完整性因素影响的研究进展，阐述了不同喷丸强化技术与材料表面完整性因素间的关系以及基于表面完整性调控的喷丸强化技术的发展趋势。关键词：喷丸

2、强化；表面完整性；残余应力；显微组织结构；表面粗糙度；表层硬度DoI：10．16080／j．issnl671—833x．2016．20．016盖鹏涛中航工业北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室高级工程师。主要从事先进材料制备及成形技术，表面强化技术和表面完整性的研究。金属材料的疲劳、应力腐蚀、高温氧化等力学、物理和化学性能，很大程度上取决于材料的表面完整性。所谓表面完整性是指表面粗糙度、表16航空制造技术·2016年第20期层残余应力、表层显微组织、表层致密度和表面形貌等状态的完好程度。大量的航空零件失效分析表

3、明，属于疲劳失效的零件约占80％，而材料的表面完整性是影响材料疲劳性能的重要因素之一。喷丸强化技术是一种材料表面机械冷加工方法，借助高速运动弹丸流或高能冲击波撞击材料的表面，使材料表层发生弹塑性变形，呈现较好的表面完整性，从而提高材料的抗疲劳强度、微动疲劳抗力及损伤容限性能的一种表面强化方法。在航空工业中，航空零件的表面完整性直接影响其使用性能和服役能力，特别是零件的疲劳使用性能。喷丸强化技术通过改变材料表面完整性显著提高各类航空零部件的疲劳性能，且具有成本低、适应性强和操作方便等优点，在航空领域应用广泛。目前，我

4、国在控制零件表面质量方面主要是测定表面粗糙度及检测表面缺陷，还没有建立完善的表面完整性设计及检测体系。通过喷丸强化技术调控表面完整性是提高航空零件质量可靠性的重要手段，因此本文综述了喷丸强化涉及表面完整性的研究进展，总结了不同喷丸强化技术对材料表面微观组织结构、残余应力、粗糙度、硬度等主要表面完整性因素的影响规律，以期对喷丸强化技术的发展及零件表面完整性的控制有所促进。表层残余应力喷丸强化在材料表层引入残余应力场，其中靠近受喷材料表面一侧呈现为残余压应力，板材单面喷丸强化后的表层残余应力分布特征曲线如图l所示。普遍

5、认为残余压应力是提高工程材料抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能的重要强化机制，而且残余压应力值大小、压应力层深度对工件疲劳强度或寿命影响显著。因此，如何实现残余应力分布特征的调控是该领域重要研究内容之一。残余应力分布特征曲线包括5”新吣j图1喷丸强化残余应力层沿深度分布特征曲线FIg．1DIstnbutIOncun，eOtresIdualstressaIOngdepthfromsurfaceinducedbyshOtpeening个主要特征参数：表面残余应力值、残余压应力深度、最大残余压应力及其位置、最大残余拉应力。弹丸撞

6、击材料表面时，通常与材料表面产生近似的赫兹接触，形成的最大弹性应力出现在材料次表面，所以通常喷丸强化最大残余压应力位于次表面。在某些情况下，残余应力分布特征发生变化，例如喷丸强化采用低密度的玻璃弹丸介质时，由于入射动能小，其喷丸强化钛合金和铝合金的最大残余压应力值出现在表面”。2l。当喷丸强化工艺为湿式喷丸强化时，硬质合金或钛合金也会出现表面残余压应力值最大的现象”。5l，因为湿式喷丸强度一般相对较低(为干喷丸强度的l／3～1，4)，且陶瓷丸介质密度相对较小，但随着喷丸强度或覆盖率提高，最大残余压应力逐渐向次表面转

7、移。激光喷丸强化工艺，最大残余压应力值通常出现在表面，因为激光喷丸时金属表面的吸收层吸收激光能量后气化产生高温高压的等离子体，等离子体发生爆炸产生冲击波作用于材料表面，没有形成赫兹接触；高压空化水射流喷丸，其形成的最大残余压应力也出现在受喷材料表面”’¨l。残余应力的大小和分布特征受到喷丸强化工艺类型、工艺参数及材料自身属性等诸多因素影响。残余应力数值主要取决于受喷材料自身的屈服强度、晶体结构和加工硬化率。受喷材料屈服强度越高，残余压应力值越大【Iol。例如，屈服强度450MPa铝合金，最大残余压应力值在400MP

8、a左右⋯l；屈服强度900MPa的钛合金，最大残余压应力值在800MPa左右

9、l2

10、；屈服强度163lMPa的高强钢，最大残余压应力值在1500MPa左右”引。通常残余压应力值小于受喷材料的原始屈服强度，但有研究报道了残余应力值超过受喷材料屈服强度的现象，研究者

11、I3I认为受喷材料表层在大量弹丸冲击作用下发生大应变塑性变形，形成明显的加工硬化或晶粒细化，导致