蓋鵬濤 ，陳福龍 ，尚建勤 ，韓秀全

（1. 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024；2. 塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3. 數(shù)字化塑性成形技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

蓋鵬濤

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所金屬成形技術(shù)研究室高級(jí)工程師，主要從事先進(jìn)材料制備及成形技術(shù)、表面強(qiáng)化技術(shù)和表面完整性的研究。

噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種材料表面機(jī)械冷加工方法，借助高速運(yùn)動(dòng)彈丸流或高能沖擊波撞擊材料的表面，使材料表層發(fā)生彈塑性變形，呈現(xiàn)較好的表面完整性，從而提高材料的抗疲勞強(qiáng)度、微動(dòng)疲勞抗力及損傷容限性能的一種表面強(qiáng)化方法。在航空工業(yè)中，航空零件的表面完整性直接影響其使用性能和服役能力，特別是零件的疲勞使用性能。噴丸強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)改變材料表面完整性顯著提高各類(lèi)航空零部件的疲勞性能，且具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，我國(guó)在控制零件表面質(zhì)量方面主要是測(cè)定表面粗糙度及檢測(cè)表面缺陷，還沒(méi)有建立完善的表面完整性設(shè)計(jì)及檢測(cè)體系。通過(guò)噴丸強(qiáng)化技術(shù)調(diào)控表面完整性是提高航空零件質(zhì)量可靠性的重要手段，因此本文綜述了噴丸強(qiáng)化涉及表面完整性的研究進(jìn)展，總結(jié)了不同噴丸強(qiáng)化技術(shù)對(duì)材料表面微觀組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、粗糙度、硬度等主要表面完整性因素的影響規(guī)律，以期對(duì)噴丸強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展及零件表面完整性的控制有所促進(jìn)。

表層殘余應(yīng)力

噴丸強(qiáng)化在材料表層引入殘余應(yīng)力場(chǎng)，其中靠近受?chē)姴牧媳砻嬉粋?cè)呈現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，板材單面噴丸強(qiáng)化后的表層殘余應(yīng)力分布特征曲線(xiàn)如圖1所示。普遍認(rèn)為殘余壓應(yīng)力是提高工程材料抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能的重要強(qiáng)化機(jī)制，而且殘余壓應(yīng)力值大小、壓應(yīng)力層深度對(duì)工件疲勞強(qiáng)度或壽命影響顯著。因此，如何實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力分布特征的調(diào)控是該領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容之一。

圖1 噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力層沿深度分布特征曲線(xiàn)Fig.1 Distribution curve of residual stress along depth from surface induced by shot peening

殘余應(yīng)力分布特征曲線(xiàn)包括5個(gè)主要特征參數(shù)：表面殘余應(yīng)力值、殘余壓應(yīng)力深度、最大殘余壓應(yīng)力及其位置、最大殘余拉應(yīng)力。彈丸撞擊材料表面時(shí)，通常與材料表面產(chǎn)生近似的赫茲接觸，形成的最大彈性應(yīng)力出現(xiàn)在材料次表面，所以通常噴丸強(qiáng)化最大殘余壓應(yīng)力位于次表面。在某些情況下，殘余應(yīng)力分布特征發(fā)生變化，例如噴丸強(qiáng)化采用低密度的玻璃彈丸介質(zhì)時(shí)，由于入射動(dòng)能小，其噴丸強(qiáng)化鈦合金和鋁合金的最大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在表面[1-2]。當(dāng)噴丸強(qiáng)化工藝為濕式噴丸強(qiáng)化時(shí)，硬質(zhì)合金或鈦合金也會(huì)出現(xiàn)表面殘余壓應(yīng)力值最大的現(xiàn)象[3-5]，因?yàn)闈袷絿娡鑿?qiáng)度一般相對(duì)較低（為干噴丸強(qiáng)度的1/3～1/4），且陶瓷丸介質(zhì)密度相對(duì)較小，但隨著噴丸強(qiáng)度或覆蓋率提高，最大殘余壓應(yīng)力逐漸向次表面轉(zhuǎn)移。激光噴丸強(qiáng)化工藝，最大殘余壓應(yīng)力值通常出現(xiàn)在表面，因?yàn)榧す鈬娡钑r(shí)金屬表面的吸收層吸收激光能量后氣化產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，等離子體發(fā)生爆炸產(chǎn)生沖擊波作用于材料表面，沒(méi)有形成赫茲接觸；高壓空化水射流噴丸，其形成的最大殘余壓應(yīng)力也出現(xiàn)在受?chē)姴牧媳砻鎇1，6-9]。

殘余應(yīng)力的大小和分布特征受到噴丸強(qiáng)化工藝類(lèi)型、工藝參數(shù)及材料自身屬性等諸多因素影響。殘余應(yīng)力數(shù)值主要取決于受?chē)姴牧献陨淼那?qiáng)度、晶體結(jié)構(gòu)和加工硬化率。受?chē)姴牧锨?qiáng)度越高，殘余壓應(yīng)力值越大[10]。例如，屈服強(qiáng)度450MPa鋁合金，最大殘余壓應(yīng)力值在400MPa左右[11]；屈服強(qiáng)度900MPa的鈦合金，最大殘余壓應(yīng)力值在800MPa左右[12]；屈服強(qiáng)度1631MPa的高強(qiáng)鋼，最大殘余壓應(yīng)力值在1500MPa左右[13]。通常殘余壓應(yīng)力值小于受?chē)姴牧系脑记?qiáng)度，但有研究報(bào)道了殘余應(yīng)力值超過(guò)受?chē)姴牧锨?qiáng)度的現(xiàn)象，研究者[13]認(rèn)為受?chē)姴牧媳韺釉诖罅繌椡铔_擊作用下發(fā)生大應(yīng)變塑性變形，形成明顯的加工硬化或晶粒細(xì)化，導(dǎo)致受?chē)姴牧媳韺泳植壳?qiáng)度升高，從而使產(chǎn)生的殘余應(yīng)力值超過(guò)受?chē)姴牧显记?qiáng)度。受?chē)姴牧系膹?qiáng)度越高，材料的塑性變形抗力大，入射階段系統(tǒng)動(dòng)能衰減速度加快，噴丸強(qiáng)化變形層淺，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度變淺。具有顯微組織結(jié)構(gòu)特征的受?chē)姴牧系臍堄鄩簯?yīng)力值分布具有方向性，如軋制板材在軋制方向與垂直方向的殘余壓應(yīng)力值不同[14]。

噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)，如噴丸強(qiáng)度、噴丸時(shí)間、彈丸介質(zhì)和彈丸流量的選取對(duì)殘余應(yīng)力值大小與分布的影響明顯。較高噴丸強(qiáng)度下，彈丸入射階段具有更大動(dòng)能，接觸區(qū)受?chē)姴牧蠎?yīng)力集中程度更大、變形層更深，所以最大殘余壓應(yīng)力值提高、殘余壓應(yīng)力層變深，但噴丸強(qiáng)度過(guò)大可能獲得相反的效果，主要由于應(yīng)力松弛和表面剝層等因素的影響。噴丸時(shí)間作用主要局限于飽和時(shí)間內(nèi)，最大殘余應(yīng)力值和應(yīng)力層深度隨噴丸時(shí)間延長(zhǎng)而增加，達(dá)到飽和后數(shù)值基本穩(wěn)定不變。彈丸流量直接影響到彈丸動(dòng)能和100%覆蓋率時(shí)間，在一定噴丸氣壓下，彈丸流量大則噴丸飽和時(shí)間短，噴丸強(qiáng)度下降，進(jìn)而影響殘余壓應(yīng)力的大小及分布。彈丸直徑越大，噴丸強(qiáng)化越容易產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力層。同濟(jì)大學(xué)高玉魁[15]等研究了噴丸強(qiáng)度、噴丸時(shí)間、入射角度、彈丸種類(lèi)等干噴丸強(qiáng)化參數(shù)對(duì)A-100鋼殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律。

噴丸強(qiáng)化工藝類(lèi)型也顯著影響最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度。以TC4鈦合金為例，通常傳統(tǒng)機(jī)械噴丸最大殘余壓應(yīng)力值約800MPa，壓應(yīng)力層深度約0.25mm；濕式噴丸最大殘余壓應(yīng)力值和干式接近，但壓應(yīng)力層深度較淺約為0.15mm；激光噴丸最大殘余壓應(yīng)力值約400MPa，壓應(yīng)力層深度通常1mm左右[7]；高壓空化水射流噴丸強(qiáng)化殘余壓應(yīng)力值達(dá)到1000MPa，殘余壓應(yīng)力層深度約0.1mm[8]。超聲噴丸包括彈丸式和撞針式，彈丸式形成的殘余壓應(yīng)力分布特征和傳統(tǒng)機(jī)械噴丸接近[16]，撞針式可能形成更大的殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度。

顯微組織結(jié)構(gòu)

噴丸強(qiáng)化變形層是提高工程材料抗疲勞性能的另一個(gè)主要強(qiáng)化機(jī)制。在噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，材料表層組織發(fā)生塑性變形，其顯微組織結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸、物相結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)密度和晶面取向等發(fā)生變化，構(gòu)成變形組織強(qiáng)化層。變形強(qiáng)化層的組織呈梯度分布，由表面到內(nèi)部基體，以雙相鈦合金TC17為例，典型的組織分布為表面層的納米晶層、亞表面的細(xì)晶層、內(nèi)部變形晶層和無(wú)應(yīng)變的晶?；w[17-18]，如圖2所示。

金屬材料組織的細(xì)化程度與噴丸強(qiáng)化過(guò)程中材料表面的應(yīng)變和應(yīng)變速率有關(guān)，噴丸強(qiáng)化層發(fā)生不均勻塑性變形，受?chē)姴牧媳砻鎽?yīng)變和應(yīng)變速率最大，沿著深度方向應(yīng)變和應(yīng)變速率逐漸降低，所以強(qiáng)化層組織呈梯度分布特征。變形強(qiáng)化層的組織細(xì)化作用對(duì)疲勞加載過(guò)程中材料晶體的應(yīng)變起到阻礙作用，從而能夠提高材料的抗疲勞性能。此外，噴丸強(qiáng)化層中微納米組織中含有高體積分?jǐn)?shù)的晶界，以及大量的位錯(cuò)、空位、亞晶界等非平衡結(jié)構(gòu)及能量貯存，有利于降低原子擴(kuò)散激活能、提高原子擴(kuò)散系數(shù)、促進(jìn)原子化學(xué)反應(yīng)。因此，噴丸強(qiáng)化技術(shù)也用于材料表面改性，也有益于改善金屬材料的擴(kuò)散連接、滲氮（碳）等工藝性能。

圖2 噴丸變形強(qiáng)化層的梯度組織、應(yīng)變及應(yīng)變速率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation of microstructure, strain and strain rate of peening layer

噴丸強(qiáng)化層的組織細(xì)化機(jī)理通常認(rèn)為是由于彈丸循環(huán)撞擊作用下接觸應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度，受?chē)姴牧媳韺赢a(chǎn)生位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)和剪切帶等缺陷，缺陷交互作用后演變成微納米尺度胞狀組織、亞晶和晶粒[19]。干式噴丸、超聲噴丸、激光噴丸和濕式噴丸等技術(shù)強(qiáng)化的受?chē)姴牧?，都能夠在材料表面變形?qiáng)化層形成納米晶層[17，20-22]。噴丸強(qiáng)化層厚度和變形組織細(xì)化程度，受到材料自身屬性、噴丸工藝類(lèi)型及其工藝參數(shù)影響。對(duì)于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝，通過(guò)提高彈丸硬度、彈丸直徑、彈丸速度、覆蓋率以及噴丸強(qiáng)度來(lái)提高金屬材料的細(xì)化程度[23-24]。對(duì)于超聲噴丸強(qiáng)化工藝，通過(guò)提高彈丸直徑、振動(dòng)頻率、噴丸時(shí)間來(lái)提高表面的細(xì)化程度和變形層深度[25]。對(duì)于激光噴丸強(qiáng)化工藝，激光噴丸的脈沖能量、激光噴丸次數(shù)、覆蓋率等均影響表面組織的細(xì)化程度[21]。

The presented results require further investigations in a larger study group.

不同噴丸強(qiáng)化方法的組織細(xì)化程度和影響層深度不一致。以鈦合金為例，通常傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化影響層深度約在200～500μm，納米層深度約在20～30μm。激光噴丸強(qiáng)化影響層深度可達(dá)1mm左右，納米層深度約10μm左右。超聲噴丸強(qiáng)化通過(guò)調(diào)整適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化參數(shù)也可以使影響層深度達(dá)1mm，納米層則深達(dá)30μm[17-21]。因此，超聲噴丸強(qiáng)化目前在材料表面實(shí)現(xiàn)變形組織細(xì)化的效果較為顯著，廣泛應(yīng)用在 Fe、Cu、Ti、Al、Mg等合金以及非晶合金等表面納米化的研究中。

表面粗糙度

噴丸強(qiáng)化過(guò)程中高速?gòu)椡枳矒羰車(chē)姴牧媳砻嬉鹚苄宰冃危⒃谄浔砻嫘纬砂伎?，大量彈丸的撞擊和相互疊加作用使受?chē)姴牧媳砻嫘蚊舶l(fā)生變化。通常噴丸強(qiáng)化使受?chē)姴牧系谋砻娲植诙茸兇?，而且不?dāng)工藝參數(shù)甚至造成表面開(kāi)裂、脫層、褶皺、破碎彈丸嵌入等表面損傷，損害金屬零件的抗疲勞性能[26]。因此，噴丸強(qiáng)化處理受?chē)姴牧系谋砻娲植诙仁且豁?xiàng)重要控制指標(biāo)。噴丸強(qiáng)化表面粗糙度影響因素、變化規(guī)律和后續(xù)處理工藝在工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。噴丸強(qiáng)化對(duì)材料表面粗糙度的影響，與材料屬性及表面狀態(tài)、噴丸工藝類(lèi)型及參數(shù)、彈丸介質(zhì)等多種因素相關(guān)。

噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)對(duì)材料表面粗糙度有顯著影響。噴丸強(qiáng)度越高，表面粗糙度越大。隨著噴丸時(shí)間增加，表面粗糙度值上升到峰值后逐漸下降，如圖3所示。研究人員認(rèn)為，初始階段表面局部變形顯著，材料表面變形不均勻，導(dǎo)致粗糙度增加；隨著噴丸時(shí)間增加，表面應(yīng)變量增加，加工硬化嚴(yán)重，表面變形均勻化，導(dǎo)致粗糙度降低并趨向穩(wěn)定[27]。彈丸高速撞擊受?chē)姴牧虾螅牧媳砻媸軘D壓發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，形成材料的凸起和凹陷，即形成了許多“峰”和“谷”。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，彈丸對(duì)材料的覆蓋率增加，表面的凹坑數(shù)量增加，合金的表面粗糙度則繼續(xù)增加進(jìn)而達(dá)到峰值。繼續(xù)延長(zhǎng)噴丸時(shí)間，材料表面形成的“峰”和“谷”交替轉(zhuǎn)換，材料表面粗糙度則開(kāi)始下降。當(dāng)彈丸在材料表面產(chǎn)生的“峰”和“谷”達(dá)到平衡后，材料表面更趨于平整，表面粗糙度也達(dá)到穩(wěn)定值。長(zhǎng)時(shí)間噴丸雖然可以降低粗糙度，但容易誘發(fā)材料表面發(fā)生剝層或褶皺缺陷，不利于材料抗疲勞性能的提高[12-13]。另外，在噴丸強(qiáng)化過(guò)程中噴射角度越大（噴嘴入射方向垂直于受?chē)姴牧媳砻鏁r(shí)入射角為0°），彈丸速度的法向分量越小，彈坑越淺，彈丸的切向速度越大，彈丸對(duì)表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小。

圖3 噴丸強(qiáng)化時(shí)間對(duì)表面粗糙度影響Fig.3 Influence of shot peening time on surface roughness

彈丸介質(zhì)的選取也是調(diào)控表面粗糙度的重要因素，如彈丸直徑、圓整度、彈丸硬度等。通常直徑小、圓整度好的彈丸，容易獲得均勻光滑的表面，光滑表面有利于維持殘余應(yīng)力穩(wěn)定性[28]，增加抗疲勞性能，如微粒噴丸強(qiáng)化技術(shù)、復(fù)合噴丸強(qiáng)化技術(shù)等[29-31]。

從噴丸工藝類(lèi)型角度，相對(duì)于傳統(tǒng)干式噴丸，激光噴丸、濕式噴丸、高壓水射流噴丸和超聲噴丸（彈丸式）的表面粗糙度較小。例如，7050鋁合金在常規(guī)S110彈丸噴丸強(qiáng)化下表面粗糙度Ra值超過(guò)4μm，而激光噴丸強(qiáng)化表面粗糙值降為1μm[1]。在相同噴丸強(qiáng)度下，如圖4所示（Ra為平均粗糙度，Rmax為最大粗糙度深度，Rz為平均峰谷深度），超聲噴丸強(qiáng)化的粗糙度值為傳統(tǒng)干式噴丸的1/3甚至更低[9，16，32]。超聲噴丸設(shè)備使用的丸粒與傳統(tǒng)方式不同，噴射介質(zhì)除傳統(tǒng)形狀的丸粒外還有兩端為不同曲率半徑的噴針，丸粒材質(zhì)一般選用硬度較高的鎢碳鋼或軸承鋼等，對(duì)丸粒的圓度和表面光潔度要求也更高，在噴丸室內(nèi)丸粒的速度方向隨機(jī)，而且速度較低，這些因素都使超聲噴丸處理后的工件表面粗糙度值下降?？哲姽こ檀髮W(xué)研究表明，表面光滑不銹鋼（Ra值為0.419μm）經(jīng)激光噴丸強(qiáng)化處理后Ra值為0.584μm，激光噴丸強(qiáng)化后受?chē)姴牧媳砻娲植诙戎翟黾虞^小[33]。濕式噴丸由于加入了液體潤(rùn)滑，有效地降低了彈丸與受?chē)姴牧媳砻娴母赡Σ?，表面粗糙度較傳統(tǒng)干式噴丸強(qiáng)化也明顯改善，大連理工大學(xué)陳國(guó)清[34]等利用“干式噴丸+濕式噴丸”的復(fù)合噴丸工藝，既實(shí)現(xiàn)了在鈦合金表層形成較深的殘余壓應(yīng)力層，又有效控制了材料表面粗糙度。

圖4 超聲噴丸和傳統(tǒng)噴丸對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of ultrasonic and conventional shot peening on surface roughness of titanium alloy

圖5 噴丸強(qiáng)度對(duì)受?chē)姴牧嫌捕葘臃植继卣饔绊慒ig.5 Influence of shot peening intensity on hardened layer of material

圖6 循環(huán)硬化-軟化作用示意圖Fig.6 Sketch map of work-hardening and work-softening

表層硬度

硬度是顯微組織加工硬化程度的一種表征，與噴丸變形層組織存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[35]。噴丸變形層的硬度呈梯度分布，表面硬度值最高，沿深度方向硬度值逐漸降低，最終趨向基體硬度。噴丸應(yīng)變硬化效果主要取決于微觀組織細(xì)化程度，同時(shí)與位錯(cuò)密度、固體相變程度相關(guān)。

噴丸強(qiáng)度是調(diào)控硬度層分布特征的直接有效手段，如圖5所示，噴丸強(qiáng)度越高，表面硬度值和硬度層深度越大。在循環(huán)硬化-軟化作用下，硬度存在極限值，見(jiàn)圖6[36]。鎂合金通過(guò)噴丸強(qiáng)化處理，表面硬度從60HV提高到135HV[37]。對(duì)于300M鋼噴丸，噴丸強(qiáng)化后表層殘留奧氏體發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，硬度大幅度提高。在一定噴丸強(qiáng)度下，隨噴丸時(shí)間增加表面硬度值和硬度層深度逐漸變大，在循環(huán)軟化-硬化作用下，硬度值最終趨于穩(wěn)定，其大小取決于彈丸入射階段的動(dòng)能[23]。但噴丸強(qiáng)化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又可能誘發(fā)剝層、裂紋、破碎彈丸嵌入、零件翹曲等現(xiàn)象。大尺寸彈丸有利于增加硬度層深度，如圖7所示，鄭海忠[38]等研究報(bào)道了當(dāng)彈丸尺寸從1mm變?yōu)?mm時(shí)，變形層深度從600μm增至1600μm。

圖7 噴丸時(shí)間、彈丸尺寸對(duì)受?chē)姴牧嫌捕葘由疃扔绊慒ig.7 Influence of time and shot size of shot peening on depth of hardened layer

展望

隨著表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)的快速發(fā)展， 噴丸強(qiáng)化表面完整性對(duì)材料及零件性能影響的重要性也越來(lái)越受到重視，針對(duì)噴丸強(qiáng)化表面完整性的研究也逐漸深入， 為實(shí)際工程的應(yīng)用提供了參考和依據(jù)。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)噴丸強(qiáng)化表面完整性的基礎(chǔ)研究還有待深入，對(duì)表面完整性的評(píng)估與檢測(cè)體系尚不完善，因此，針對(duì)噴丸強(qiáng)化表面完整性的研究還有以下幾個(gè)方面有待加強(qiáng)：

（1）深入開(kāi)展噴丸強(qiáng)化加工表面完整性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，揭示噴丸強(qiáng)化表面完整性特征的形成及產(chǎn)生的機(jī)理，建立噴丸強(qiáng)化表面完整性的理論模型及其評(píng)判體系；

（2）在航空航天等領(lǐng)域的抗疲勞零部件制造技術(shù)中，拓展噴丸強(qiáng)化加工表面完整性技術(shù)的應(yīng)用，依據(jù)實(shí)際服役性能的需求，綜合調(diào)控表面完整性各因素，實(shí)現(xiàn)所需性能的最優(yōu)化；

（3）基于表面完整性控制，開(kāi)發(fā)新型表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)，獲得更大的表面完整性調(diào)控區(qū)間與更優(yōu)的效果，適應(yīng)新材料、新結(jié)構(gòu)和更復(fù)雜零部件的表面強(qiáng)化需求。

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