魯世紅 ， 吳天睿 ，高國(guó)強(qiáng) ， 繆 偉 ，張新華

（1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016； 2. 中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089；3.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

魯世紅

教授、博士生導(dǎo)師。從事飛機(jī)鈑金成形技術(shù)、塑性與超塑性成形技術(shù)、新型加工工藝與系統(tǒng)方面的教學(xué)/科研工作。主持了國(guó)家、省部級(jí)以及產(chǎn)學(xué)研等多個(gè)項(xiàng)目，獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議上發(fā)表40余篇學(xué)術(shù)論文。

表面強(qiáng)化技術(shù)是一種主要用來(lái)提高金屬件疲勞性能的表面改性技術(shù)，已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣闊的應(yīng)用。它利用沖擊力或擠壓力等形式的機(jī)械作用使金屬材料近表面區(qū)域產(chǎn)生局部的彈塑性變形，導(dǎo)致在材料表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，并使材料顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增強(qiáng)了其抵抗疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)（Ultrasonic Shot Peening，USP）是目前最具有前景的金屬材料冷加工表面強(qiáng)化處理工藝之一，它不但克服了傳統(tǒng)噴丸的不足，且強(qiáng)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，有更好的工藝可控性[1-2]。這項(xiàng)技術(shù)目前在很多工業(yè)領(lǐng)域普遍應(yīng)用，例如航空航天、汽車、鐵路和橋梁結(jié)構(gòu)[3-6]，這些領(lǐng)域所需的材料需要有很高的強(qiáng)度、疲勞壽命、磨損和腐蝕抗性。在這項(xiàng)工藝中，超聲波能被轉(zhuǎn)化為撞針或者彈丸對(duì)金屬材料表面的高速?zèng)_擊，使金屬表面產(chǎn)生較大的塑性變形，有害殘余拉應(yīng)力得以有效消除[7]，并在金屬表面形成殘余壓應(yīng)力層；發(fā)生表面形變強(qiáng)化，并導(dǎo)致表面晶粒的細(xì)化和微觀組織的改善；而且噴丸殘余應(yīng)力的存在使裂紋閉合效應(yīng)增強(qiáng)，有效抑制了疲勞裂紋的擴(kuò)展。因此，超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以增加金屬表面顯微硬度和強(qiáng)度，提高腐蝕抗性以及疲勞性能。

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)目前已在噴丸強(qiáng)化和金屬表面改性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Sonats公司較早開(kāi)展了超聲波噴丸設(shè)備開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面研究的工作[8]。Troyes 技術(shù)大學(xué)和中科院金屬研究所率先進(jìn)行了 USP金屬表面納米化的研究[9]。波蘭電子材料技術(shù)研究所使用超聲波噴丸技術(shù)對(duì)氧化鋯和氧化鋁陶瓷進(jìn)行了表面處理，結(jié)果顯示超聲波噴丸在其受噴金屬表面產(chǎn)生了最高達(dá)2.4GPa的殘余壓應(yīng)力[10-11]，從而提高了受噴材料的抗裂性能。在Renault汽車工業(yè)集團(tuán)，Snecma、Volvo和Airbus等國(guó)際航空航天工業(yè)集團(tuán)及核電、火電等能源工業(yè)領(lǐng)域的零件上，超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。在美國(guó)空軍直升機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命提升計(jì)劃上，Sonats公司的超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)也得到了應(yīng)用[12-13]。目前在世界范圍內(nèi)，由于其各方面的優(yōu)越性，超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)具有很大的研究?jī)r(jià)值且應(yīng)用前景廣闊。

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)

1 基本原理

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)原理如圖1所示， 超聲波噴丸技術(shù)是以超聲波振動(dòng)為動(dòng)力源，通過(guò)換能器將超聲波振蕩信號(hào)(頻率在20kHz)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)變幅桿將縱波機(jī)械振動(dòng)的微小振幅放大至20～80μm，帶動(dòng)安裝在振動(dòng)工具頭上的撞針或者噴丸室中的彈丸對(duì)靶材表面進(jìn)行高速撞擊，導(dǎo)致靶材表面產(chǎn)生塑性變形（形成彈坑）。材料表面層的微觀組織由于這種劇烈的塑性變形而得到極大的碎化（可達(dá)納米級(jí)別），產(chǎn)生密集、均勻且穩(wěn)定的位錯(cuò)增殖。與此同時(shí)，材料內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生了高幅的殘余壓應(yīng)力分布。

2 技術(shù)特點(diǎn)

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）殘余壓應(yīng)力的值較高。噴丸強(qiáng)化效果主要由殘余壓應(yīng)力的值和殘余壓應(yīng)力層深度兩個(gè)主要因素決定，相比較而言，超聲波噴丸試件的殘余壓應(yīng)力值要比傳統(tǒng)噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力值高很多，殘余壓應(yīng)力層的深度也要高很多。

（2）表面粗糙度較小。傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝中，所使用的彈丸尺寸一般比較小，丸粒流的噴射速度較高，而且由于撞擊過(guò)程中會(huì)伴隨著彈丸的破碎，所以受噴工件表面的粗糙度會(huì)比較大，較大的表面粗糙度又相對(duì)容易導(dǎo)致零件產(chǎn)生疲勞失效和應(yīng)力腐蝕，其結(jié)果就是大大降低了傳統(tǒng)噴丸的強(qiáng)化效果。而超聲波噴丸使用的噴丸介質(zhì)不僅有與傳統(tǒng)噴丸相似的丸粒，還有尖端曲率半徑較小的撞針。同樣在使用彈丸作為噴丸介質(zhì)的情況下，所使用的彈丸與傳統(tǒng)噴丸相比，通常選用硬度更高的軸承鋼或鎢碳鋼等材料，彈丸的直徑要大出不少，而且表面光潔度和圓度也高出不少。在超聲波噴丸的噴丸室內(nèi)彈丸的速度方向是完全隨機(jī)的，使得彈丸對(duì)受噴金屬表面的撞擊總體更為均勻。以上這些導(dǎo)致超聲波噴丸處理后的工件表面粗糙度值比傳統(tǒng)噴丸小很多[14]。而使用撞針作為噴丸介質(zhì)時(shí)，由于其可控性更好，噴打更為均勻，表面粗糙度則更小。2024鋁合金在1.2mm撞針直徑以及50%覆蓋率條件下進(jìn)行超聲波噴丸強(qiáng)化，在顯微鏡下觀察到的表面形貌如圖2所示。

圖1 超聲波噴丸原理圖Fig.1 Principle diagram of ultrasonic shot peening

圖2 超聲波噴丸強(qiáng)化件表面形貌Fig.2 Surface morphology of USP hardened part

（3）設(shè)備功耗更低，便攜性好。超聲波噴丸克服了傳統(tǒng)氣動(dòng)噴丸附屬設(shè)備龐大的缺點(diǎn)，由于采用超聲波能做動(dòng)力源，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，有效降低了功耗。圖3是便攜式超聲噴丸設(shè)備的總體外觀，由于其體積小，便攜性好，適合在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修維護(hù)等工作。

圖3 便攜式超聲波噴丸設(shè)備Fig.3 Portable USP device

（4）工作環(huán)境綠色無(wú)污染。當(dāng)使用丸粒作為超聲波噴丸的噴丸介質(zhì)時(shí)，其噴丸室在工作時(shí)始終處于封閉狀態(tài)，而且其丸粒用量較少，丸粒破損率也極低，非常有效地避免了傳統(tǒng)干式噴丸法由于丸粒破碎引起的現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染問(wèn)題，而且撞針式超聲波噴丸則完全不用考慮粉塵問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了綠色噴丸強(qiáng)化，改善噴丸工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

（5）工藝可控性更為良好。由于彈丸的用量要少很多，與傳統(tǒng)噴丸相比，超聲波噴丸彈丸循環(huán)利用的周期更長(zhǎng)，更換彈丸更為簡(jiǎn)便快速，也無(wú)需加設(shè)丸粒分離裝置。超聲噴丸強(qiáng)化過(guò)程受控工藝參數(shù)更少，也更容易實(shí)現(xiàn)精確控制。這些參數(shù)包括：噴丸時(shí)間、丸粒量、丸粒直徑（撞針直徑）、沖擊振幅、工件的進(jìn)給速度。

受噴表面殘余應(yīng)力場(chǎng)研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的研究主要是采用XRD技術(shù)研究超聲波噴丸參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。國(guó)外Rodopoulos等[15]采用XRD技術(shù)定量研究了摩擦攪拌焊鋁合金壁板的殘余應(yīng)力分布。

南京航空航天大學(xué)郭超亞、魯世紅[16]采用XRD技術(shù)研究了采用不同噴丸工藝參數(shù)對(duì)7055-T7751鋁合金進(jìn)行超聲波噴丸處理，其表面殘余應(yīng)力的分布情況，定量研究了噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)超聲波噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的深度和最大殘余壓應(yīng)力值會(huì)隨著沖擊振幅和撞針直徑的增加而增大。所獲得的最佳工藝參數(shù)使得最大殘余壓應(yīng)力分布深度相比初始狀態(tài)提高了1.31倍以上，最大殘余壓應(yīng)力值達(dá)到了初始狀態(tài)的6.8倍和8.14倍。

表面納米化研究

超聲波噴丸表面納米化，是由于超聲波噴丸能夠?qū)е陆饘俨牧媳砻姘l(fā)生劇烈的塑性變形，在材料表面生成了納米晶?；蛘叱?xì)晶粒結(jié)構(gòu)，從而大大提高了材料的表面性能。但是超聲波噴丸強(qiáng)化處理是否一定能夠?qū)е虏牧媳砻婕{米化，主要是由金屬材料本身與其工藝參數(shù)決定的。國(guó)外一些學(xué)者的研究已經(jīng)表明，使用超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以在金屬表面產(chǎn)生厚度大約30～50μm的超細(xì)晶粒層[17-18]。國(guó)內(nèi)外在 USP 強(qiáng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用方面?zhèn)戎攸c(diǎn)有所不同，在日本和一些歐美國(guó)家，主要側(cè)重于表面強(qiáng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者則更偏向于超聲波噴丸材料表面納米化以及表面改性。

目前，國(guó)內(nèi)外在超聲噴丸表面納米化技術(shù)對(duì)于受噴材料疲勞性能作用方面的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一。研究表明，一方面USP表面納米化可以抑制塑形變形并保持穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)層，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，抑制疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展；另一方面由于增加了表面粗糙度，生成了表面微裂紋，晶界處原子活性很高，鈍化膜不穩(wěn)定等原因，USP表面納米化后材料的耐蝕性能有所降低。而且超聲波噴丸強(qiáng)化對(duì)材料疲勞性能的作用還要受其他諸多因素的共同影響。 Shaw、 Tian等研究了超聲波噴丸處理對(duì)鎳基高溫合金C-2000疲勞極限的影響，研究表面超聲波噴丸處理對(duì)C-2000疲勞極限的改善程度比傳統(tǒng)噴丸處理高出很多，這是由殘余壓應(yīng)力、表面納米化和加工硬化共同作用所導(dǎo)致的[19]， Nalla和Nikitin等學(xué)者的相關(guān)研究也得出了類似的結(jié)論。

關(guān)鍵技術(shù)分析

超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)具有相當(dāng)大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展?jié)摿?，跟有些?guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在超聲波噴丸設(shè)備研制和工藝技術(shù)研究方面均起步較晚，總結(jié)起來(lái)有以下關(guān)鍵技術(shù)需要克服：

（1）超聲波噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的優(yōu)化。超聲波噴丸過(guò)程非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)、電學(xué)等諸多學(xué)科，要想取得最佳噴丸效能和最佳強(qiáng)化效果，應(yīng)綜合考慮各個(gè)噴丸工藝參數(shù)的影響，對(duì)噴丸工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如撞針式超聲波噴丸發(fā)生器頻率及工作功率、撞針直徑及數(shù)量、撞針?lè)植济芏?、撞針振幅、噴丸時(shí)間等，如何建立諸多噴丸工藝參數(shù)之間的聯(lián)系，優(yōu)化超聲波噴丸強(qiáng)化總體工藝設(shè)計(jì)，具有很大的研究意義。

（2）超聲波噴丸的力學(xué)模型的創(chuàng)建。無(wú)論是撞針式或是彈丸式超聲波噴丸，撞針或高速?zèng)_擊作用的力學(xué)模型創(chuàng)建和驗(yàn)證一直以來(lái)都是技術(shù)難點(diǎn)，撞針或丸粒對(duì)靶材表面沖擊力的理論計(jì)算非常重要，這對(duì)于將生產(chǎn)工藝控制和仿真計(jì)算相聯(lián)系有著直接的決定意義。

（3）殘余壓應(yīng)力、加工硬化、表面納米化對(duì)表面性能影響的聯(lián)合作用研究。由于表面納米化對(duì)表面性能的影響不是單方面的，而且受殘余壓應(yīng)力、加工硬化等因素的影響，通過(guò)研究它們之間的聯(lián)合作用方式和機(jī)理，對(duì)優(yōu)化超聲波噴丸表面強(qiáng)化工藝具有重要意義。另外，由于受噴工件在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用非常普遍，還需要進(jìn)一步研究USP表面納米化處理對(duì)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕性能的影響。

（4）超聲波噴丸過(guò)程數(shù)值模擬模型的精確建立。噴丸過(guò)程是一定數(shù)量的撞針或者大量丸粒不斷沖擊工件表面，對(duì)于撞針式噴丸，工件表面受到各個(gè)撞針的動(dòng)載作用，撞針沖擊靶材的沖擊力大小及其方向可能會(huì)不同；而對(duì)于彈丸式噴丸而言則更為復(fù)雜，彈丸的沖擊速度、入射角度、沖擊區(qū)域都具有隨機(jī)性，整個(gè)超聲波噴丸的物理過(guò)程非常復(fù)雜，建立精確的工件超聲波噴丸模型非常難。另外，由于在高應(yīng)變率下，撞針、丸粒和受噴材料的材料屬性很難得到，彈丸或撞針與靶材的接觸和摩擦也很難確定，使得有限元模擬的準(zhǔn)確性很難得到保證。

結(jié)束語(yǔ)

目前，法國(guó)Sonats公司是現(xiàn)今國(guó)際上唯一持有原創(chuàng)性超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的企業(yè)。我國(guó)在超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的研究以及應(yīng)用上起步相對(duì)較晚，如果能盡快提升我國(guó)這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用能力，將有助于加強(qiáng)我國(guó)金屬表面強(qiáng)化這一領(lǐng)域的總體技術(shù)水平。在理論上，超聲波噴丸強(qiáng)化的機(jī)理有待深入研究，各項(xiàng)噴丸工藝參數(shù)對(duì)表面強(qiáng)化效果的影響以及它們之間的相關(guān)性需要進(jìn)一步的分析，殘余應(yīng)力場(chǎng)、加工硬化和表面納米化對(duì)表面強(qiáng)化的聯(lián)合作用效果和機(jī)理尚不明確，超聲波噴丸強(qiáng)化精確的數(shù)值模型有待建立與優(yōu)化。

[1]YOSHIHIRO W, KANESHI H,MITSURU H. Effect of ultrasonic shot peening on fatigue strength of high strength steel[C]//Proceedings of ICSP 8th, Munich, 2002：305-310.

[2]KANESHI H. Searching for the most suitable condition and the suggestion of each application in ultrasonic shot peening[C]//Proceedings of ICSP 8th, Munich, 2002:32-36.

[3]Nascimento M P, Souza R C, Pigatin W L, et al. Effects of surface treatments on the fatigue strength of AISI 4340 aeronautical steel[J]. International Journal of Fatigue,2001,23(7): 607-618.

[4]KIRKHOPE K, BELL R, CARON L.Weld detail fatigue life improvement techniques. Part 2: application to ship structures[J], Mar. Struct, 1999,12(7): 477-496.

[5]DEGUCHI T , MOURI M, HARA J. Fatigue strength improvement for ship structures by ultrasonic peening[J]. Mar. Sci.Technol. 2012,17 (3):360-369.

[6]Martinez L L, Barsoum Z,Paradowska A. State-of-the-art: fatigue life extension of offshore installations[C]//ASME 2012 31st International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers, 2012: 9-20.

[7]Kudryavtsev Y, Kleiman J.Application of ultrasonic peening for fatigue life improvement of automotive welded wheels[J]. International Institute of Welding.IIW Document XIII-2075-05. 2005:9.

[8]PILé C，F(xiàn)RAN?OIS M，RETRAINT D，et al. Modeling of the ultrasonic shot peening process[J]. Materials Science Forum，2005，490-491：67-72.

[9]DAI K，SHAW L. Comparison between shot peening and surface nanocrystallization and hardening processes[J].Mater. Sci. and Eng,2007,463(1/2)：46-53.

[10]TOMASZEWSKI H，GODWOD K，DIDUSZKO R，et al. Modification of alumina cermics properities by stressonic shot peening[J]. Materials Science Forum，2005，490/491：509-514.

[11]TOMASZEWSKI H，DOBRZANSKI F S，OSTACHOWSKI P，et al. Shot peening in structural ceramics[J]. Ceramic Materials，2010，62(3)：266-271.

[12]DUCHAZEAUBENEIX J M. Sonats：past，present and future[J]. The Shot Peener，2007，20(1)：32-40.

[13]WHITE D. Requirements for life cycle management of U.S. Army helicopter strctural integrity[C]//USAF ASIP Conf.,California,2007:4-6.

[14]YOSHIHIRO W, KANESHI H,MITSURU H. Effect of ultrasonic shot peening on fatigue strength of high strength steel[C]//Proceedings of ICSP 8th . Munich, 2002：305-310.

[15]RODOPOULOS C A, PANTELAKIS S G, PAPADOPOULOS M P. The effect of ultrasonic impact treatment on the fatigue resistance of friction stir welded panels[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2009, 18(9): 1248-1257.

[16]郭超亞, 魯世紅. 鋁合金超聲噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)[J]. 中國(guó)表面工程, 2014, 27(2):75-80.

GUO C Y , LU S H. Residual stress of ultrasonic shot peened aluminum alloy[J].China Surface Engineering,2014, 27(2): 75-80.

[17]MORDYUK B N , PROKOPENKO G I,VASYLYEV M A ,et al. Effect of structure evolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI-321 stainless steel[J], Mater. Sci. Eng: A, 2007,458 (1/2):253-261.

[18]DARLING K A , TSCHOPP M A , ROBERTS A J, et al. Enhancing grain re nement in polycrystalline materials using surface mechanical attrition treatment at cryogenic temperatures[J]. Scr. Mater,2013,68(6): 461-464.

[19]SHAW L L，TIAN J W，ORTIZ A L，et al. A direct comparison in the fatigue resistance enhanced by surface severe plastic deformation and shot peening in a C-2000 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A，2010，527(4/5)：986-994.