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表面噴丸工藝提高金屬材料的疲乏性能

來(lái)源:|作者:金瑞 |發(fā)布時(shí)間:2022-03-01 |次瀏覽
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(guò)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(shí),通常將其歸類(lèi)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(huì )形成厚度超過(guò)0.1 mm 的強化層,又稱(chēng)塑性變形層.如圖2 所示,噴丸前后,工件在微觀(guān)組織上,晶

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(guò)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(shí),通常將其歸類(lèi)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(huì )形成厚度超過(guò)0.1 mm 的強化層,又稱(chēng)塑性變形層.


噴丸強化示意圖

如圖2 所示,噴丸前后,工件在微觀(guān)組織上,晶粒細化更加顯著(zhù),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(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(huì )有較大程度提高,其中對疲乏壽命影響的是應力強化。

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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(dòng)機中整體葉盤(pán)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?jì)热?。王欣等研究者就噴丸覆蓋率這一參數與疲乏性能之間的關(guān)系進(jìn)行了探究,旋轉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 ℃ 。

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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。

氧化鋯陶瓷砂表面處理

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的更深。

陶瓷噴丸表面處理

在疲乏實(shí)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(zhù)。

 Ti60 噴丸表面覆蓋率與疲勞壽命的關(guān)系

結語(yǔ)

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、節能減排等方面做出突出貢獻。