黃志超，呂世亮，謝春輝，盧能芝

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

金屬材料的主要失效形式是疲勞和腐蝕，而疲勞和腐蝕均始于材料表面，因此，金屬材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著材料的綜合性能.噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種效果卓著的金屬零構(gòu)件表面變形強(qiáng)化工藝.噴丸強(qiáng)化處理使靶材獲得殘余壓應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)細(xì)化，因而抑制靶材表面萌生裂紋并減緩裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而使金屬零部件可以顯著地提高其表象疲勞極限與防腐能力.噴丸強(qiáng)化工藝因其顯著的優(yōu)點(diǎn)在工程領(lǐng)域中得到日益深入的應(yīng)用和發(fā)展.

1 微粒子噴丸

傳統(tǒng)噴丸處理一方面賦予材料表面殘余應(yīng)力層和表面硬化層，抑制了疲勞裂紋的萌生并減緩裂紋的擴(kuò)展，提高了材料表面的疲勞強(qiáng)度，另一方面使材料表面的粗糙度增加，影響材料表面疲勞強(qiáng)度的提高.機(jī)械加工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)材料表面性能提出了越來(lái)越高的要求，人們希望材料在提高表面疲勞強(qiáng)度的同時(shí)降低其表面的粗糙度.近期開(kāi)發(fā)的微粒子噴丸工藝與傳統(tǒng)噴丸工藝相比，既能賦予材料表面更高的殘余壓應(yīng)力，又能有效地降低材料表面的粗糙度，進(jìn)一步提高了材料表面疲勞強(qiáng)度，且滿(mǎn)足了對(duì)表面光潔度要求高的抗疲勞構(gòu)件的使用要求.

表1比較了傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化與微粒子噴丸在噴丸方式、殘余壓應(yīng)力、表面粗糙度等方面的特性.

表1 微粒子噴丸與傳統(tǒng)噴丸的性能比較［1］

張繼旺等［2］采用直徑(100 μm)的鋼丸和陶瓷丸兩種微粒子對(duì)中碳鋼進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，研究發(fā)現(xiàn)，與噴丸前砂輪研磨試樣的表面粗糙度(6.332 μm)相比，鋼丸、陶瓷丸兩種微粒子噴丸后試樣表面的粗糙度分別為5.502和4.879 μm，比傳統(tǒng)噴丸處理后的粗糙度明顯偏小，對(duì)兩種微粒子噴丸試件和未噴丸試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出鋼丸和陶瓷丸微粒子噴丸試樣的疲勞極限分別提高到350和320 MPa.文獻(xiàn)［3］對(duì)Cr-Mo鋼分別采用微粒子和傳統(tǒng)兩種噴丸方式，針對(duì)材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力在疲勞過(guò)程中的松弛程度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，微粒子噴丸強(qiáng)化的試樣，殘余壓應(yīng)力松弛程度低于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化的試樣.

微粒子噴丸處理在抗疲勞性能、耐磨性和降低摩擦等方面帶來(lái)的效果非常顯著［4］，并可廣泛用于汽車(chē)零部件及各種切削工具和模具的加工，明顯延長(zhǎng)它們的使用壽命.

2 激光噴丸

激光噴丸(LSP)，或激光沖擊，是利用高功率密度(GW/cm2)、短脈沖(ns)激光束照射金屬時(shí)產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波，作用在材料表面并形成數(shù)百個(gè)兆帕的殘余壓應(yīng)力，從而改善材料的性能，目前已被廣泛應(yīng)用于材料表面改性的研究中［5］，激光噴丸原理如圖1所示.

圖1 激光噴丸原理圖

與傳統(tǒng)機(jī)械噴丸相比，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有顯著的特點(diǎn)，具體包括:1)沖擊壓力高，使得金屬工件形成高的殘余應(yīng)力影響層，是普通噴丸的5～10倍［6］;2)可精確定位，能夠加工傳統(tǒng)工藝不能處理的部位，尤其適合對(duì)小孔、倒角和溝槽等部位進(jìn)行強(qiáng)化;3)成形后的工件表面質(zhì)量高;4)無(wú)熱應(yīng)力損傷.

目前，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化的工程應(yīng)用，利用激光對(duì)渦輪風(fēng)扇葉片、B-1轟炸機(jī)F101機(jī)的葉片、F-16戰(zhàn)斗機(jī)的葉片以及波音777民用飛機(jī)的葉片進(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理，研究表明，葉片的維修成本大大降低，取得了顯著的強(qiáng)化效果和工程價(jià)值.而國(guó)內(nèi)的研究主要以材料試驗(yàn)為主，江蘇大學(xué)周建忠等［7］對(duì)含初始裂紋的6061-T6鋁合金CT疲勞試樣進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，得出激光噴丸強(qiáng)化誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)使外加拉應(yīng)力或裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，有效減緩了裂紋擴(kuò)展速率，疲勞壽命提高了64.4%.魯金忠等［8］對(duì) Ti6A14V鈦合金電子束焊縫激光沖擊強(qiáng)化處理，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力從91 MPa(拉應(yīng)力)轉(zhuǎn)變?yōu)?230 MPa(壓應(yīng)力)，由于殘余壓應(yīng)力的存在，引起裂紋的閉合效應(yīng)，因此，延長(zhǎng)了焊接件的疲勞壽命.

激光噴丸技術(shù)能夠提高工業(yè)中常用鋼及合金鋼，包括粉末金屬?gòu)?fù)合材料，鑄鐵、鎳基高溫合金，鈦及鈦合金材料的疲勞壽命、耐磨性、耐腐蝕性，因此，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，相關(guān)學(xué)者對(duì)激光噴丸進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間研究，但大多數(shù)還仍處于實(shí)驗(yàn)性研究，要使激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)作為一種成熟的工藝在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，目前還需要解決如下問(wèn)題.

1)發(fā)展高性能激光沖擊裝置的研發(fā)，包括裝置的小型化、高重復(fù)頻率以及輸出脈沖能量的穩(wěn)定性.

2)需要研究適用于工程應(yīng)用的集涂層與約束層于一體的柔性貼膜.目前國(guó)內(nèi)涂層通常采用特種黑漆，在噴涂后需要等待其固化，加之黑漆涂層易破壞，無(wú)法多次沖擊，生產(chǎn)效率低下.

3)完善強(qiáng)化工藝參數(shù).采用試驗(yàn)方法和有限元技術(shù)完善工藝參數(shù)庫(kù)，針對(duì)不同材料采取不同的激光能量、涂層厚度等參數(shù)使強(qiáng)化效果達(dá)到最佳.

3 超聲/高能?chē)娡?/h2>

圖2為超聲噴丸/高能?chē)娡杞Y(jié)構(gòu)示意圖，工作原理為［9］:工作時(shí)，整個(gè)設(shè)備的容器作上下振動(dòng)，彈丸朝各個(gè)方向以不同的速度沖擊試樣的表面.彈丸的每次沖擊都使試樣與彈丸相接觸的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生一定量的塑性變形，強(qiáng)化一段時(shí)間后，試樣的表面將產(chǎn)生不同程度的塑性變形，從而獲取了一定深度的納米層.當(dāng)設(shè)備的振動(dòng)頻率為30 kHz，彈丸的粒徑較小(如0.1～1.8 mm)，彈丸沖擊時(shí)的速度為120 m/s時(shí)稱(chēng)為超聲噴丸(USSP)，降低工作時(shí)設(shè)備振動(dòng)頻率，采用2 kHz的中頻或30 Hz的低頻甚至更低的頻率時(shí)，可選用較大粒徑的彈丸(如10 mm)稱(chēng)為高能?chē)娡?HESP).

圖2 超聲/高能?chē)娡柙韴D

與普通噴丸相比，超聲/高能?chē)娡鑿?qiáng)化能夠獲得更大的殘余壓應(yīng)力和硬化層深度，且可顯著提高疲勞強(qiáng)度.超聲/高能?chē)娡鑿?qiáng)化過(guò)程中涉及到的參數(shù)少、受控因素少且可精確控制，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，噴丸后材料表面易實(shí)現(xiàn)納米化，目前已在銅、不銹鋼、純鈦、鐵和低碳鋼等表面制備納米尺寸晶粒.

目前利用超聲噴丸/高能?chē)娡鑿?qiáng)化技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是對(duì)超聲/高能?chē)娡鑼?shí)現(xiàn)材料表面納米化機(jī)理的研究.韓靖等［10］對(duì)0Cr18Ni9Ti不銹鋼棒材端面采用高能?chē)娡?，成功制備出納米結(jié)構(gòu)的表面層，并得出晶粒細(xì)化機(jī)理，文獻(xiàn)［11］指出，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的材料，表面納米化行為存在差異，對(duì)于bcc結(jié)構(gòu)的工業(yè)純鐵和低碳鋼等材料的納米化主要取決于位錯(cuò)的發(fā)展，而fcc結(jié)構(gòu)的316不銹鋼等材料的納米化除與位錯(cuò)相關(guān)外，還與孿生和層錯(cuò)密切相關(guān).另一方面是對(duì)超聲/高能?chē)娡杼幚砗蟮脑嚇颖砻嫘阅艿难芯?張新華等［12］采用普通噴丸與超聲噴丸對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行處理，分析得出超聲噴丸引入的最大殘余壓應(yīng)力較普通噴丸增大31.9%，超聲噴丸處理后的表面硬化程度略高，材料表面粗糙度也僅為普通噴丸試件的35.5% ，李東等［13］采用高能?chē)娡杓夹g(shù)對(duì)SS400鋼焊接接頭的表面進(jìn)行處理，成功地在焊接處的表層制備出組織均勻的納米層，實(shí)現(xiàn)了焊接接頭表層組織均一納米化，解決了焊接接頭表面層組織與性能的不均勻性，同時(shí)焊接接頭母材、HAZ、焊縫的3個(gè)區(qū)域表層顯微硬度遠(yuǎn)高于高能?chē)娡枨?，?shí)現(xiàn)了焊接接頭表層硬度的均一化，且提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度.

金屬材料表面納米化可以使其表面的機(jī)械性能和化學(xué)性能得到不同程度的改善.1)力學(xué)性能:材料表面硬度、強(qiáng)度、疲勞性能得到顯著提高.2)擴(kuò)散性能.超聲高能?chē)娡柰ㄟ^(guò)塑性變形在金屬表層形成的納米晶，晶體中缺陷可作為原子的快速擴(kuò)散通道.卑多慧、呂堅(jiān)等［14］對(duì)低碳鋼試樣進(jìn)行表面超聲噴丸納米化處理，得出超聲噴丸納米化預(yù)處理可以明顯提高滲氮速度，降低滲氮溫度.3)穩(wěn)定性能和熱腐蝕性能.胡蘭青等［15］通過(guò)高能?chē)娡璜@得納米晶粒具有一定的熱穩(wěn)定性.

4 高壓水射流

20世紀(jì) 80 年代末，ZAFRED［16］首次提出了利用高壓水射流對(duì)金屬表面噴丸強(qiáng)化的思想，從而開(kāi)始了高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的研究.高壓水射流噴丸技術(shù)和傳統(tǒng)噴丸技術(shù)具有相似之處.高壓水射流噴丸強(qiáng)化的基本原理是噴嘴垂直于材料表面，并在表面平行移動(dòng)，將攜帶高能量的高壓水以某種特定的方式高速?lài)娚涞浇饘俨牧媳砻嫔?，在材料表層產(chǎn)生具有一定厚度的強(qiáng)化層，使其強(qiáng)化層擁有理想的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，它的實(shí)質(zhì)是冷作硬化.

圖3 高壓水射流噴丸對(duì)材料的強(qiáng)化

高壓純水射流噴丸技術(shù)［17］是水射流噴丸中出現(xiàn)最早的，取得實(shí)驗(yàn)性研究結(jié)果也是最多的.目前，國(guó)內(nèi)外的高壓脈沖水射流強(qiáng)化技術(shù)主要是通過(guò)利用電液壓效應(yīng)產(chǎn)生的電液壓脈沖水射流來(lái)強(qiáng)化零件.國(guó)內(nèi)裴江紅等［18］利用電液壓脈沖水氣射流CrWMn鋼制造的沖頭(利用摩托車(chē)的鏈輪)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出電液壓脈沖水氣射流強(qiáng)化CrWMn零件的良好效果.空化水射流的技術(shù)研究主要集中在國(guó)外，SOYAMA等［19］利用空化水射流噴丸技術(shù)對(duì)不銹鋼和鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)，得出噴丸試樣表面疲勞強(qiáng)度比未噴丸提高了20%～50%.AROLA［20-21］等采用后混合水射流分別對(duì)不銹鋼、鈦合金和純鈦進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，得到了表面殘余壓應(yīng)力隨噴丸參數(shù)的變化規(guī)律，在最佳噴丸條件下可使Ti6A14V鈦合金的疲勞強(qiáng)度提高25%.董星等［22］采用前混合水射流分別對(duì)2A11鋁合金和45鋼進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化后在材料表層引入一定的殘余壓應(yīng)力，使外部施加的應(yīng)力與表層壓應(yīng)力合成的“有效拉應(yīng)力”降低，由于合成的“最大有效拉應(yīng)力”可能不在材料表面而在近表層，裂紋在材料內(nèi)部萌生需要更長(zhǎng)的萌生周期，因此，對(duì)于噴丸強(qiáng)化后的2A11鋁合金，是未噴丸疲勞壽命的25.31倍，對(duì)于45鋼，是未噴丸疲勞壽命的18.56倍.

雖然高壓水射流噴丸的質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，但高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，尚有許多問(wèn)題亟待解決:1)在國(guó)內(nèi)，其強(qiáng)化機(jī)理及理論的研究還相對(duì)較薄弱;2)針對(duì)不同材料，其優(yōu)化的強(qiáng)化工藝參數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;3)目前存在并使用的水射流噴丸強(qiáng)化設(shè)備還存在較多的問(wèn)題，需要研發(fā)更智能新型的水射流強(qiáng)化設(shè)備.

5 復(fù)合噴丸

目前的噴丸處理主要采用單一噴丸強(qiáng)化，而復(fù)合噴丸是指一個(gè)零件先后受2～3種以上的彈丸噴射或采用2～3種不同的噴丸強(qiáng)化方法進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，目前對(duì)高能-傳統(tǒng)，激光-機(jī)械復(fù)合噴丸已有研究.

表面劇烈塑性變形是一種實(shí)現(xiàn)材料表面納米化的重要方法［23］，這種方法已經(jīng)被應(yīng)用于提高金屬材料的疲勞性能.有研究表明［24］，高能?chē)娡枋辜冣伇韺有纬杉{米晶組織，可有效地提高工業(yè)純鈦的疲勞強(qiáng)度，但高能?chē)娡韬笠矔?huì)導(dǎo)致純鈦表面變的粗糙，產(chǎn)生損傷等缺陷，這些因素引起的應(yīng)力集中會(huì)弱化高能?chē)娡鑼?duì)純鈦疲勞強(qiáng)度的提高.考慮到大粒徑的彈丸容易增大表面粗糙度和造成表面損傷，研究者提出了復(fù)合高能?chē)娡鑿?qiáng)化的方法，即先采用大粒徑彈丸進(jìn)行高能?chē)娡枋辜冣伇砻娈a(chǎn)生一定深度的納米層和殘余應(yīng)力層;再用小粒徑彈丸進(jìn)行普通噴丸，以降低表面粗糙度和修復(fù)損傷的表面，進(jìn)一步提高納米層的質(zhì)量.

激光噴丸形成的應(yīng)力波似平面波，平面波造成的應(yīng)力影響層較深，機(jī)械噴丸所形成的應(yīng)力波為球面波，球面波能產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力.采用激光-機(jī)械復(fù)合噴丸工藝的方式能夠獲得較大的殘余壓應(yīng)力和較深的殘余壓應(yīng)力.文獻(xiàn)［25］研究了兩種噴丸工藝的復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，得出采用激光-機(jī)械復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝時(shí)，獲得了較深的應(yīng)力影響層和較高的殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力影響層深度是機(jī)械噴丸工藝的3倍，最大殘余壓應(yīng)力可達(dá)到屈服強(qiáng)度的1.2倍.

6 各種噴丸技術(shù)的比較

1)微粒子噴丸較傳統(tǒng)噴丸表面粗糙度得到很大改善，但其表面硬化程度較低，殘余應(yīng)力層深度相對(duì)較淺，且不能實(shí)現(xiàn)材料表面的納米化.

2)激光噴丸各方面性能都比較好，但其投資金額偏高，目前既能達(dá)到工業(yè)需求(高激光能量、高重復(fù)頻率)又能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)承受能力的激光器還較少.

3)超聲/高能?chē)娡瓒寄軐?shí)現(xiàn)材料的表面納米化、降低滲碳滲氮溫度，可以將滲碳、滲氮與噴丸復(fù)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù).但高能?chē)娡钑?huì)導(dǎo)致材料表面粗糙度提高，因此，超聲噴丸是個(gè)不錯(cuò)的選擇.

4)目前對(duì)高壓水射流噴丸研究比較淺，總體性能優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，噴丸后材料應(yīng)力集中小，且綠色環(huán)保，隨著研究的進(jìn)一步深入，水射流噴丸技術(shù)有望獲得較好的應(yīng)用前景.

5)復(fù)合噴丸綜合性能好，綜合了各種噴丸的優(yōu)點(diǎn)，如高能-微粒復(fù)合噴丸，既實(shí)現(xiàn)了材料表面納米化又降低了表面的粗糙，激光-機(jī)械復(fù)合噴丸避免了激光噴丸的高成本，復(fù)合噴丸也是不錯(cuò)的選擇，應(yīng)大力發(fā)展復(fù)合噴丸方面的研究工作.

表2 各種噴丸強(qiáng)化技術(shù)的比較

7 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品表面的性能要求越來(lái)越高，改善材料表面性能，可以有效地提高零件的使用壽命，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染.伴隨著微粒子噴丸、激光噴丸、超聲/高能?chē)娡?、高壓水射流噴丸等先進(jìn)噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，將大大擴(kuò)展噴丸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，不再局限于機(jī)械行業(yè)，在生物材料處理、醫(yī)學(xué)抗菌、光催化等領(lǐng)域也顯示出良好的應(yīng)用前景.但要讓各種先進(jìn)噴丸技術(shù)作為一種成熟工藝在實(shí)際工程得到廣泛應(yīng)用，還應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展如下幾方面的研究工作.

1)加強(qiáng)噴丸強(qiáng)化過(guò)程的系統(tǒng)理論研究.目前噴丸強(qiáng)化處理主要以經(jīng)驗(yàn)方法為主，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)單一噴丸和復(fù)合噴丸的強(qiáng)化機(jī)理、最優(yōu)工藝參數(shù)、強(qiáng)化效果的量化研究，特別是殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)定性和松弛規(guī)律的研究.

2)復(fù)合應(yīng)用兩種或多種表面技術(shù)，可以起到“1+1＞2”的協(xié)同效果［26］.發(fā)展噴丸與其他表面工程技術(shù)的復(fù)合表面工程技術(shù)，目前已開(kāi)發(fā)的有熱噴涂與噴丸強(qiáng)化，表面滲碳、滲氮與噴丸強(qiáng)化復(fù)合表面工程技術(shù)，都取得了很好的效果.

3)加強(qiáng)噴丸設(shè)備的研制，實(shí)現(xiàn)噴丸全過(guò)程的自動(dòng)化.目前還很難把握彈丸流與金屬靶材的作用過(guò)程，急需一種能夠在線(xiàn)觀測(cè)和控制強(qiáng)化過(guò)程的設(shè)備.

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