楊勝強，李永剛，李文輝

（1. 太原理工大學機械工程學院，太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024）

鈦合金因具有密度小、比強度高、耐腐蝕性好和耐高溫等優(yōu)點以及優(yōu)異的綜合性能廣泛應用于航空航天領域，而且國內外航空器上所用鈦合金的比例仍在逐漸增加。因此，鈦合金零件的品質極大地影響著航空器的服役性能。據(jù)資料顯示，發(fā)動機結構故障中有1/3是由于零件疲勞引起的[1]。改善和提高鈦合金的疲勞性能是提高航空器服役壽命、降低使用成本的有效手段，其中通過表面改性技術可以在很大程度上抑制裂紋在零件表面的萌生和擴展，從而提高整個零件的疲勞壽命。目前，提高鈦合金零件疲勞性能的表面改性技術主要有噴丸強化、激光沖擊強化、擠壓強化、滾壓強化、離子注入和滾磨光整加工等。本文對這幾種加工方式的最新研究進展進行總結。

噴丸強化

噴丸強化（Shot Peening，SP）是減少零件疲勞，提高壽命的有效方法，也是應用最廣泛的方法之一。噴丸強化就是將高速彈丸流噴射到零件表面，使零件表層發(fā)生塑性變形，形成一定厚度的強化層，強化層內形成較高的殘余壓應力。由于零件表面壓應力的存在，當零件承受載荷時可以抵消一部分應力，從而提高零件的疲勞強度。

1927年，Herber發(fā)明了第一臺噴丸機。1929年，美國的Zimmerli等首先將噴丸技術用于彈簧的表面強化，并取得了良好的效果。近年來，許多學者在普通噴丸技術的基礎上進行改進或者和其他表面改性技術相結合來進一步改善鈦合金的疲勞性能。Yu等[2]利用表面等離子合金化和噴丸相結合的方法來提高Ti6Al4V合金的疲勞性能，表層經(jīng)過等離子體Cr化后，再進行噴丸，合金的疲勞強度比基材提高一個數(shù)量級。樣品表層沉積Cr后，若將最表層塑性較差容易起裂的金屬間化合物層用HCl去除，剩余Cr-Ti固溶層，再進行噴丸處理，其疲勞強度比基材提高2個數(shù)量級。這是因為噴丸使工件表層產生高的殘余壓應力和加工硬化現(xiàn)象，并且表層良好的硬度和韌性的配合是疲勞性能提高的重要原因。Zhang等[3]研究表明，TiN/Ti涂層和噴丸復合處理后的鈦合金樣品的疲勞壽命低于TiN/Ti涂層或者噴丸單獨處理時樣品的疲勞壽命，這是因為噴丸產生的殘余壓應力在制備涂層時會發(fā)生松弛，并且涂層易于開裂和剝落。Tsuji等[4]研究了等離子滲碳和噴丸復合處理對Ti6Al4V合金疲勞和磨損性能的影響（圖1），結果表明噴丸處理可以有效改善滲碳處理Ti6Al4V合金的表面殘余應力狀態(tài)，使合金的疲勞壽命提高。單一噴丸和滲碳噴丸復合處理后的樣品表面起裂需要很高的應力水平，而樣品心部起裂所需應力較低，因此S-N曲線呈現(xiàn)兩個階段。由于噴丸時的彈丸直徑約70μm，殘余壓應力層深度僅有100μm，而普通噴丸的深度可達100～250μm。表面粗糙度值Ra值較低約為1.7μm。Chen等[5]利用濕式噴丸對Ti6Al4V合金表面進行強化處理。濕式噴丸后的表面粗糙度值比干噴丸小，最大殘余壓應力達895MPa，壓應力層深度約為250μm，均比干噴丸的效果好；噴丸處理后合金的表層位錯密度顯著增大，晶粒細化，使得拉伸疲勞極限比基材提高了12.4%，從605MPa上升到680MPa。

圖1 等離子滲碳（PC）和噴丸（SP）后Ti6Al4V合金的表面形貌和疲勞性能Fig.1 Surface morphology and fatigue property of Ti6Al4V alloy after plasma carburizing and shot peening

噴丸強化固有的技術特點會使材料在某些方面的性能變差。Thomas等[6]研究表明，噴丸處理會使合金的亞表層的氧濃度升高，這會使鈦合金零件的機械完整性在高溫氧化環(huán)境中惡化。Zhang等[7]的研究表明，噴丸強化可以提高Ti811鈦合金在350℃下的微動疲勞壽命，但是會使其500℃下的微動疲勞壽命降低。殘余壓應力是提高微動疲勞壽命的主要原因，表層組織硬化對微動疲勞壽命影響較低，噴丸后的表面粗糙度值對合金的微動疲勞壽命有害，裂紋在粗糙表面更容易萌生。

零件在使用過程中表面狀態(tài)發(fā)生變化，殘余應力會發(fā)生松弛等，經(jīng)過二次噴丸可以再次提高鈦合金的疲勞壽命。但是，如果剩余疲勞壽命還較高，再次噴丸有可能對零件產生負面作用。Lee等[8]使用噴丸后的Ti6Al4V樣品在室溫、260℃及370℃下暴露后進行疲勞試驗，直到剩余壽命達到理想值的40%。此時，樣品的殘余壓應力會有20%～50%的松弛。將試驗后的樣品進行再噴丸處理，樣品在接觸表面的殘余應力水平可以恢復到初始噴丸樣品的水平。Jiang等[9]研究顯示，噴丸使Ti6Al4V合金在室溫的彎曲疲勞強度由室溫的637MPa提高到696MPa，噴丸后樣品的表面粗糙度值Ra由0.3μ m上升到1.3μm。在室溫彎曲試驗中，噴丸產生的殘余應力沒有發(fā)生明顯的重新分布。未噴丸樣品的疲勞裂紋起源于表面，而噴丸樣品的裂紋起源于亞表層。再次噴丸可使樣品在室溫的疲勞壽命提高約40%。另有文獻表明，如果噴丸后樣品的部分疲勞壽命已占總壽命的75%，那么再次噴丸將會是有害的[10]。

普通噴丸所用的彈丸撞擊工件表面會引起表面粗糙度值增加，但是會提高鈦合金的微動疲勞壽命。這主要有3個原因，（1）噴丸后較高的表面粗糙度可以防止粘連；（2）表面硬化層有利于阻止裂紋的萌生；（3）殘余壓應力可以阻礙裂紋的擴展[11]。而激光噴丸技術可以避免工件表面粗糙度值增加。研究表明，激光噴丸后鈦合金的接觸疲勞裂紋萌生所需的應力高于普通噴丸，激光噴丸樣品當壓應力達到775MPa或者普通噴丸樣品的壓應力達到554MPa時，微動疲勞裂紋從0.15mm開始擴展。普通噴丸近表面殘余壓應力約為750MPa，壓應力深度為0.25mm；激光噴丸后近表層的殘余壓應力為570MPa，壓應力深度達到1.3mm[12]。由于激光噴丸后工件表面的硬化程度較低，但是作用深度大，使激光噴丸樣品的裂紋前端更加平坦，裂紋的擴展速率也更低[13]。

噴丸會使鈦合金表層產生較大的殘余壓應力，應力水平達到700～900MPa，從而提高鈦合金的疲勞強度。殘余壓應力深度在0.1～0.3mm范圍內，采用強力噴丸或者復合噴丸可以進一步提高殘余壓應力深度。然而，噴丸處理卻使鈦合金材料的表面粗糙度升高，Ra值達到1.5μm左右，惡化了表面質量。表層合金化、噴涂與噴丸相結合的表面改性技術可以更好地改善鈦合金的疲勞性能，前提是表層的強韌性需達到理想的匹配。

激光沖擊強化

激光沖擊強化（Laser Shocking Peening, LSP）技術，也稱激光噴丸技術。它是通過高功率密度（GW/cm2量級）、短脈沖（10～30ns量級）的激光，輻照金屬材料表面所產生的高密度等離子體噴射爆炸所形成的沖擊應力波（GPa級）來改善材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕等性能的技術。由于激光強化技術不會對工件表面產生機械損傷，不改變零件的表面精度，近年來逐漸受到重視。

激光沖擊強化技術由美國貝爾實驗室于20世紀70年代初開發(fā)。1972年，美國巴特爾學院的Fairand等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微組織以提高其機械性能。與噴丸技術相比，由于激光光斑直徑的限制，在加工零件時需要規(guī)劃加工路徑和沖擊次數(shù)等關鍵參數(shù)。

首先，激光沖擊次數(shù)對純鈦及不同型號的鈦合金都有明顯的影響。侯果等[14]利用激光沖擊強化改善了TC17鈦合金的微觀組織和表面硬度，隨著沖擊次數(shù)和脈沖能量的增加，TC17材料表面產生高密度位錯，導致硬度增加，提高幅度可達20%，作用深度達 800～900μm。Lu等[15]研究了激光沖擊強化對純鈦顯微組織和力學性能的影響，結果顯示，一次沖擊可以使鈦最表層的顯微硬度提升20%，激光作用深度可達650μm。晶粒的細化和少部分馬氏體的產生是硬度提高的原因。Nie等[16]研究了多次激光沖擊對TC11鈦合金疲勞性能的影響。一次沖擊后鈦合金樣品表面產生了高密度的位錯（見圖2）； 3次沖擊后晶粒明顯細化，且出現(xiàn)了納米晶；當沖擊次數(shù)大于5次后，晶粒不再細化，但取向變得更加均勻。激光沖擊處理后樣品的疲勞極限由原始的483.2MPa上升至593.6MPa，提高22.8%。雖然多次激光沖擊也可以在鈦合金表面產生納米晶，但是Ritchie認為深軋是比激光沖擊強化更有效的提高鈦合金疲勞強度的方法[17]。研究結果表明，深軋工藝可以有效延遲在450℃條件下Ti6Al4V鈦合金裂紋的萌生和擴展。即使在高溫下，應力完全松弛，合金表層的加工硬化納米晶在保證疲勞壽命的提高方面起著重要的作用。Jia等[18]研究了激光沖擊強化對近α鈦合金力學性能的影響，一次沖擊強化后疲勞壽命幾乎不變，兩次沖擊強化后疲勞壽命提高約40%。一次沖擊或兩次沖擊對最表層的硬度影響不大，都從330HV提高到365HV。激光沖擊可以使殘余壓應力在650～700MPa范圍內。兩次沖擊可使深度0.2mm范圍內的殘余壓應力在550MPa以上，深度是一次沖擊的兩倍。

圖2 TC11鈦合金激光沖擊強化前后的顯微組織Fig.2 Microstructures of TC11 alloy before and after laser shocking peening

其次，激光沖擊加工的路徑也會對鈦合金的疲勞強度有影響。Zhang等[19]研究表明，隨著光斑重疊區(qū)域的增加，Ti6Al4V鈦合金的疲勞壽命也在增加。當光斑重疊數(shù)為3時，一次沖擊可使Ti6Al4V合金的疲勞強度提高22.2%，兩次沖擊可以可使合金的疲勞強度提高41.7%。Bhamare等[20]通過有限元模擬的方法研究了激光加工參數(shù)與鈦合金殘余應力之間的關系，其中峰值功率密度和光斑重復率對殘余應力有較大影響，此研究建議應該根據(jù)材料本身的力學性能選擇合適的峰值功率密度和光斑重復率。

雖然采用激光沖擊強化技術在加工零件時是非接觸式的，但是需要在工件表面涂覆透明的約束層和能量吸收層。加工時是否采用涂層和零件材料本身的特點密切相關。Maawad等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與噴丸相比無涂層激光沖擊強化可以使Ti-2.5Cu鈦合金的高周疲勞壽命提高的更多。然而，無涂層激光沖擊強化使Ti-54M鈦合金表面孔洞增多，導致高周疲勞壽命降低。

激光沖擊強化具有較大的作用深度，大約在1～2mm范圍內，表層殘余壓應力達到500～700MPa。沖擊次數(shù)提高，可以提高鈦合金的表面及綜合力學性能。然而，在采用激光沖擊技術時必須在材料表面涂敷材料，否則引起材料表面孔洞增多，疲勞性能下降。激光的峰值功率密度和光斑重復率對鈦合金的疲勞強度有重要影響。

擠壓強化

擠壓強化是利用襯套或者芯棒等對工件表面進行擠壓，產生表面硬化從而改善服役性能。通常情況下，擠壓強化多用在承力部件的裝配孔上，如表1所示[22]。葛恩德等[23]采用開縫襯套對TC21鈦合金孔進行冷擠壓強化，冷擠壓強化后的孔邊存在明顯的切向殘余壓應力，裂紋萌生位置發(fā)生改變，疲勞裂紋擴展壽命明顯提高，隨著擠壓量的增大疲勞壽命明顯提高，冷擠壓強化后試樣的疲勞壽命可以提高50%以上。超聲擠壓強化適合于外形簡單的零件?；佧惖萚24]的研究結果表明，利用超聲擠壓對TC6合金進行處理，表層出現(xiàn)了明顯的塑性變形層（圖3），但其疲勞性能并沒有明顯提高，與精加工拋光試樣相比，在 750MPa、850MPa和950MPa應力下的疲勞壽命分別下降了43%、20%和89%。超聲擠壓后樣品的內部存在放射狀疲勞源，導致合金疲勞壽命降低。肖山等[25]研究了鈦合金傳統(tǒng)機加接頭耳片與含預置非焊合區(qū)的層合接頭耳片結構在拉-拉疲勞荷載作用下的裂紋擴展特性。在受螺栓擠壓的層合耳片連接界面內預置非焊合區(qū)可顯著提高疲勞裂紋的擴展壽命。楊洪源等[26]對比研究了芯棒擠壓和開口襯套擠壓對TA5鈦合金孔的強化效果，開口襯套擠壓對疲勞壽命的增益優(yōu)于芯棒擠壓工藝，且擠壓強化對裂紋擴展壽命的增益比對裂紋形成壽命的增益大。王強等[27]利用擠壓和噴丸實現(xiàn)對孔的強化，并研究了其對TC18鈦合金疲勞壽命的影響，結果顯示，噴丸強化后表面殘余壓應力大于擠壓強化，達到300MPa以上?；w上的孔經(jīng)過噴丸強化后，疲勞壽命提高了約3倍，焊縫樣品上的孔經(jīng)噴丸強化后，疲勞壽命提高了近6倍，但是擠壓對兩種樣品孔的強化效果不明顯。不論用何種方法對孔進行擠壓強化，緣距比（在寬度方向上，孔的中心距工件邊緣的距離與孔徑之比）大于2時，強化效果會更明顯[28]。綜合來講，擠壓強化不僅可以用于工件裝配前，裝配后零件間的擠壓也會對工件的疲勞性能有益。擠壓強化鈦合金孔口處的殘余壓應力可達到300～400MPa。擠壓工藝對于塑性較好的鈦合金強化效果較好，反之則強化效果差。

表1 冷擴孔在飛機上的應用

圖3 拋光和超聲擠壓后TC6鈦合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of TC6 titanium alloy treated by polishing and ultrasonic squeezing

滾壓強化

滾壓強化是通過機械方式對金屬表面加壓，使金屬表面產生加工硬化以提高零件的性能、質量和使用壽命。

滾壓強化技術于1929年由德國人提出，1933年美國鐵路上開始應用滾壓強化方法，我國于20世紀60年代開始廣泛深入研究該技術。Revankar等[29]利用直徑為8mm的硬質合金球對車削后的Ti6Al4V合金進行滾壓處理，合金表面硬度由340HV提高到405HV，表面粗糙度由 0.45μm 降低到 0.12μm（圖 4），殘余壓應力達到955MPa。Caudill等[30]對比研究了干式滾壓、流體冷卻和低溫（-196℃）滾壓對Ti6Al4V合金表面完整性的影響，結果表明鈦合金的滾壓受兩方面的控制，分別是應變強化和熱軟化。干式滾壓具有更小的表面粗糙度值，因為表層的塑性更好。與低溫滾壓相比，干式滾壓和流體冷卻滾壓后合金的硬度較低。在低溫條件下，熱軟化的負面作用被抑制，使得表面硬度更高，且變形層深度更大。賀蒙[31]采用低塑性滾壓技術消除車削加工在鈦合金Ti6Al4V工件表面的殘留刀痕，可使表面粗糙度值降低30%～50%，在Ti6Al4V加工表面產生深度為100μm左右的表面硬化層，表面最大硬度超過360HV，并且在表面產生較高的殘余壓應力（最高可達636MPa）。低塑性滾壓加工Ti6Al4V試樣的低周疲勞壽命相對精車試樣提高6倍。該課題組采用的超聲+滾壓對Ti6Al4V表面進行強化，當超聲頻率為26kHz時，可以獲得最大的殘余壓應力862MPa[32]。王勉等[33]通過對TC16螺栓頭下圓角進行滾壓強化，疲勞斷裂的位置逐漸由圓角處轉移至螺紋部分，提高了螺栓的疲勞壽命。張建斌[34]對比研究了噴丸和滾壓對α-Ti表層性能的影響，結果顯示，經(jīng)滾壓后在合金中形成了單個分散的孿晶，而噴丸后表層中形成了大量相互交割的孿晶和變形帶；噴丸后表層的殘余應力更容易松弛，疲勞后兩者的表層殘余應力相當；噴丸后材料表面的粗糙度比滾壓后的高一個數(shù)量級。劉鵬[35]利用車削+超聲滾壓的加工工藝來改善鈦合金的表面質量。然而，加工后TC6鈦合金的疲勞壽命有所下降，其原因是雙相鈦合金自身的晶體結構和組成相導致加工過程中很容易造成變形不協(xié)調而產生微觀裂紋，并且在超聲滾壓加工的塑性變形過程中材料的韌性變弱，使得裂紋在擴展階段的速率變快，造成材料的疲勞壽命下降。滾壓強化可以使鈦合金的硬化層達到100μm左右，且表面粗糙度值會減小，殘余壓應水平達到850～950MPa，大幅提高疲勞壽命，但是對于塑性較差的合金系列會引起疲勞壽命的下降。

圖4 Ti6Al4V合金滾壓前后的宏觀形貌Fig.4 Macrostructure of Ti6Al4V alloy before and after burnishing

離子注入

離子注入是將被注入元素的原子利用離子注入機電離成正電荷的離子，經(jīng)過高壓電場加速后轟擊工件表面，使之注入工件表面一定深度的真空處理工藝。金屬蒸汽真空弧離子源（MEVVA）是1985年由美國加州大學伯克利分校的Brouwn教授發(fā)明的，該設備問世后很快被用于材料離子注入表面改性。由于離子注入的設備復雜、昂貴，生產效率低且變質層較薄等，導致利用離子注入技術增強鈦合金的疲勞性能方面的研究還比較少。早期的研究表明，在加速電壓為40keV條件下注入劑量為20×1017cm-2時，N和B的注入對Ti6Al4V合金的S-N曲線和疲勞極限沒有影響[36]。而竇健敏譯注的國外研究表明在鈦合金表面注入B、C、Ni，可在表面產生殘余壓應力，從而提高疲勞壽命[37]。衛(wèi)中山[38]研究了離子注入La和Mo對Ti6Al4V合金疲勞性能的影響，加速電壓45keV，注入劑量（1～2）×1017cm-2，注入深度約100nm，Ti6Al4V合金經(jīng) La、Mo離子注入處理后，表面粗糙度值降低，表面顯微硬度明顯提高，殘余應力分布得到優(yōu)化。離子注入處理使表面層得到強化，減小了裂紋從表面萌生的機率，從而提高了疲勞抗力。例如，在105循環(huán)次數(shù)下，疲勞強度由720MPa提高到730MPa，較其他方式提高較小。綜合來講，由于離子注入技術本身的不足，如注入深度淺，再加上零件尺寸大小不一，對于小型零件有較好的效果，對于大型零件表面的抗腐蝕和耐磨損方面的性能也會有較好改善。但與以表面強烈塑性變形為基礎的噴丸、激光沖擊等技術相比，離子注入對于大型零件的表面抗疲勞改性效果略差。

滾磨光整加工

滾磨光整加工是將具備研磨-拋光-光飾-微量磨削等功能的顆粒介質（滾拋磨塊）和具備清洗-防銹-腐蝕-軟化-光亮-發(fā)泡-潤滑-緩沖等功能的液體介質（磨液和水），依據(jù)一定的幾何約束和運動約束構成一個強制的液粒耦合流場。被加工工件以自由或不同的預設運動方式約束保持在強制的動態(tài)平衡的液粒耦合流場中，經(jīng)過一定的加工時間及這個時段內合理的運動矢量調控，滾拋磨塊以不同程度的作用力對零件表面進行碰撞、滾壓、滑擦、刻劃等綜合的微量磨削作用，實現(xiàn)對被加工工件表面的光整加工。

20世紀70年代，精密零件表面光整加工去毛刺技術已受到工業(yè)發(fā)達國家的普遍重視，國際標準化組織于1975年舉辦了第一屆去毛刺、飛邊的國際學術會議。我國光整加工及去毛刺技術的發(fā)展起步較晚，直到20世紀80年代初才有第一部專著問世。截至目前，滾磨光整加工技術用于改善鈦合金表面質量的研究較多，但涉及疲勞性能方面的研究還比較少。太原理工大學表面光整技術研究所的張曉東利用滾磨光整加工技術對Ti6Al4V合金進行了光整加工[39]，加工完后工件表面趨于平坦化（見圖5），表層的殘余壓應力在350～450MPa范圍內，深度可達0.4mm，表面粗糙度值達到0.2μm，在610MPa應力水平下的疲勞壽命從10762次提高到56220次。王麗等[40]利用太原理工大學和廊坊市北方天宇機電技術有限公司共同研發(fā)的BJG-X400旋流式光整加工設備對鈦合金葉片進行加工，當采用粒度為180#的磨料，滾筒轉速48r/min，主軸轉速120r/min，光整時間為4min時，葉片的葉盆和葉背表面的殘余應力分布均勻且為壓應力，范圍在500～600MPa，光整后葉片的疲勞強度比批量生產的提高約2個數(shù)量級。

滾磨光整加工技術具有成本低、效率高、適應性強、加工一致性好等優(yōu)勢，已經(jīng)在曲軸、齒輪、鋁合金輪轂等零部件得到廣泛應用。然而，該技術在高端零件以及難加工材料方面的應用還比較少，但是光整技術在航空航天零件制造領域需求強烈。鑒于此，應該大力發(fā)展?jié)L磨光整技術在航空鈦合金表面改性中的應用。

水射流噴丸

20世紀80年代末，Zafred[41]第一次提出了水射流噴丸強化的思想，高壓水射流技術的應用也逐漸由原有的清洗、切割和除銹發(fā)展到表面加工。近年來，水射流技術應用到鈦合金表面加工的研究還相對較少。楊乾華等[42]采用磨液射流對Ti6Al4V鈦合金進行磨削拋光，當磨液壓力為（7～8）×105Pa，磨料含量為10%～15%，入射角為25°時，磨削拋光效果較好，效率也很高。闞曉陽等[43]研究了空化水射流對純鈦表面的空蝕損傷，根據(jù)空化水射流處理后空蝕損傷程度和淹沒式水射流的流動特性，表面損傷區(qū)可分為中心區(qū)域的一次射流損傷區(qū)和周邊的混合射流損傷區(qū)。選用的噴嘴直徑為1mm，噴嘴與試樣的距離為80mm，水射流壓力為30MPa?？栈淞魈幚?min時，在一次射流區(qū)表面就存在塑性變形坑、空蝕針孔和形變孿晶等損傷。隨著水射流處理時間的延長（20～30min），在孿晶界等區(qū)域發(fā)現(xiàn)裂紋萌生并擴展，處理60min時表面已出現(xiàn)金屬大量剝落。Liu等[44]研究了淹沒水射流和非淹沒水射流對Ti6Al4V鈦合金表面狀態(tài)的影響，當噴射壓力為100MPa，處理1～10min時，鈦合金表層的殘余壓應力從-300MPa逐漸降低到-500MPa，表面粗糙度從1.6μ m下降到0.6μm，但是淹沒水射流和非淹沒水射流均對鈦合金表面造成損傷，且非淹沒水射流對鈦合金的損傷更加嚴重（見圖6）。黨建毅等[45]采用后混合水射流對Ti6Al4V鈦合金進行噴丸，當噴丸壓力為262MPa、靶距為203mm、彈丸粒度為54#時，Ti6Al4V鈦合金的疲勞強度增加了25%。盡管水射流噴丸技術用于改善鈦合金疲勞性能方面的研究還不多，但是由于其和傳統(tǒng)的噴丸技術具有相同的加工工藝和性能效果，并克服了傳統(tǒng)噴丸技術成本高、設備復雜、工件表面粗糙度增加及環(huán)境污染等缺點，應該大力推廣該技術的應用。

圖5 Ti6AlV合金滾磨光整加工前后的表面形貌Fig.5 Morphology of Ti6AlV alloy before and after barrel finishing

圖6 淹沒水射流和非淹沒水射流對Ti6Al4V鈦合金表面形貌的影響（壓力100MPa，時間1min）Fig.6 Effect of submerged water jet and non-submerged water jet on the microstructures of Ti6Al4V alloy ( pressure: 100 MPa, duration: 1 min )

根據(jù)以上分析，將7種表面改性方式進行總結，如表2所示。

表2 幾種表面強化方式的特點和加工能力

結束語

航空鈦合金表層抗疲勞技術的發(fā)展和航空工業(yè)的發(fā)展息息相關，不斷改進和提高表面改性技術可以極大改善航空器的服役性能和使用壽命。根據(jù)零部件用途的不同適當?shù)剡x用表面改性技術十分必要。塑性好的鈦合金適宜選用強烈塑性變形強化方式，從而獲得較厚的改性層；對于塑性較差的鈦合金選擇作用力較小的表面強化方式，避免出現(xiàn)過度加工硬化，使工件表面脆化，降低疲勞性能。噴丸、激光沖擊、擠壓、滾壓等強化方式可以使鈦合金表面產生強烈塑性變形，從而改善顯微組織和應力狀態(tài)，達到抑制裂紋萌生和擴展的作用。除噴丸外，其他強化方式不會對零件的表面粗糙度產生負面作用。滾磨光整加工屬于中等作用力的表面改性技術，在提高零件表面質量的同時可以引入殘余壓應力，提高零件的抗疲勞性能。離子注入技術所需設備復雜、成本高，適合于小型微電子設備零件的表面改性。水射流噴丸具有高能、高效、環(huán)保等特點，是極具發(fā)展?jié)摿Φ拟伜辖鸨砻娓男允侄巍?/p>

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