馮抗屯，翟甲友，楊 凱，張平則，高 頔

(1.中航飛機起落架有限責任公司，長沙 410200；2. 南京航空航天大學材料科學與技術學院，南京 210016)

0 引 言

TC18鈦合金是一種高強高韌準α+β鈦合金，其耐腐蝕性能好、成型能力強、退火狀態(tài)下強度高，適用于制備航空主承力結構件，如飛機起落架支柱、扭力臂及支架等零件[1]。疲勞是航空鈦合金零件的主要失效形式之一，約占總失效形式的70%，提高材料的抗疲勞性能是降低零件失效風險的關鍵。研究表明，噴丸強化作為工業(yè)生產中最為常用的表面強化工藝之一，能夠有效提高材料的疲勞壽命[2-6]。何少杰等[7]發(fā)現材料表層的殘余應力對零件的疲勞壽命具有較大影響，殘余拉應力是導致材料疲勞斷裂的重要因素之一。而噴丸強化產生的殘余壓應力能夠抑制裂紋擴展，在一定程度上提高零件的疲勞壽命[8-9]。BANDAR等[10]研究發(fā)現，噴丸強化可以產生表面加工硬化，有效提高材料的表面硬度，增大表面殘余壓應力層的深度，從而改善材料的疲勞性能。

噴丸強化工藝通常利用陶瓷丸、玻璃丸、鋼丸等對材料進行強化。其中，陶瓷丸因組織細密、強度高、變形小而廣泛應用于航空航天行業(yè)。與玻璃丸相比，陶瓷丸破碎率低，破碎后碎片保持原始形狀，表面光滑，且不會對環(huán)境造成任何污染。與鋼丸相比，陶瓷丸具有化學惰性，不易與金屬發(fā)生反應，且不易對受噴零件尤其是鈦合金、鋁合金等金屬造成腐蝕和污染。

采用傳統鍛造方法制備鈦合金零件時，材料利用率低、成本高，且制造周期較長。而金屬零件增材制造技術可以實現復雜零件的快速自由成形，極大地提高材料利用率，節(jié)約成本[11]，提高效率，自問世以來受到了廣泛的關注。然而目前，關于增材制造TC18鈦合金表面強化的相關研究較少。因此，作者通過激光直接沉積成形TC18鈦合金，并對其進行陶瓷丸噴丸強化，研究了噴丸強度對其表面形貌、表層殘余應力以及疲勞性能的影響，旨在為實現增材制造鈦合金的工程應用提供研究基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料為TC18鈦合金粉末，粒徑為100～140 μm。采用配有三軸聯動四坐標數控加工機床的10 kW光纖激光增材制造系統成形TC18鈦合金。制造過程中成形腔內通入高純氬氣作為保護氣體，利用激光對同軸輸送的TC18鈦合金粉末進行多道逐層熔化沉積，見圖1。激光功率為6.38.0 kW，光斑直徑為8～10 mm，掃描速度為8001 200 mm·min-1。所得TC18鈦合金的化學成分如表1所示。

表1 激光增材制造TC18鈦合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of laser additive manufactured TC18 titanium alloy (mass) %

圖1 激光增材制造過程示意Fig.1 Schematic of laser additive manufacturing

由圖2可知，激光增材制造TC18鈦合金主要由α-Ti和β-Ti兩相組成，與鍛造TC18鈦合金的相組成一致，其組織形貌為原β相內分布著細小的針狀α相，見圖3。

圖2 雙重退火后激光增材制造TC18鈦合金的XRD譜Fig.2 XRD pattern of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

圖3 雙重退火后激光增材制造TC18鈦合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

對激光增材制造TC18鈦合金進行雙重退火獲得網籃狀組織，以實現合理的強韌性匹配。雙重退火熱處理工藝為700 ℃保溫1～3 h，空冷，然后在620 ℃保溫2～8 h，空冷。對不同爐次的部分試樣進行力學性能測試，由表2可見雙重退火熱處理后激光增材制造TC18鈦合金的力學性能均符合技術規(guī)范指標要求。

表2 雙重退火熱處理后激光增材制造TC18鈦合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

采用荷蘭RSM-50-MR-CS/SS-2-2011型數控噴丸機，以Z300陶瓷丸為噴丸介質對雙重退火后的TC18鈦合金試樣進行噴丸，使其噴丸強度分別為0.15～0.20 mm，0.20～0.25 mm，0.25～0.30 mm，噴丸覆蓋率均為100%。

1.2 試驗方法

采用BrukerD8-ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對雙重退火TC18鈦合金試樣進行物相分析，采用銅靶Kα射線，電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描角度為10°90°，掃描速率為4 (°)·min-1。采用島津DUH-201S型動態(tài)超顯微硬度計測定試樣表面硬度，壓頭為正三角錐狀金剛石，對角為115°，最大載荷為98 mN，加載速率為1.324 mN·s-1，加載時間為10 s。按照GB/T 7704-2008，利用MG4OP FS#4型殘余應力測試儀測試試樣表層殘余應力，采樣側傾測試法，掃描方式為固定Ψ0法，Ψ0為X射線入射線與試樣表面法線夾角，具體位置為±30°，±24.8°，±19.29°，±11.48°，±5.55°及0°。采用KR-260型表面粗糙度儀測定試樣表面粗糙度Ra。

按照GB/T 3075-2008，采用EHF-UV100K1-040-0A型疲勞試驗機對噴丸強化前后的TC18鈦合金進行室溫疲勞試驗，疲勞試樣形狀及尺寸如圖4所示，每組測8個平行試樣，最大應力水平σmax為800 MPa，應力比R為0.1，試驗頻率fz為20 Hz。采用JSM-IT100型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣疲勞斷口形貌，工作電壓為20 kV。

圖4 疲勞試樣的形狀及尺寸Fig.4 Shape and size of fatigue specimens

采用中值疲勞壽命N50作為疲勞試驗的結果，中值疲勞壽命計算公式為

(1)

(2)

式中：n為每組試驗中疲勞試樣的個數；Ni為某一特定載荷下的疲勞循環(huán)次數。

2 試驗結果與討論

2.1 表面形貌

由圖5可以看出，未噴丸強化試樣表面存在較多磨削加工痕跡，而噴丸強化后試樣表面加工痕跡明顯減少甚至消失；在較低噴丸強度下，試樣表面僅存在少量細小的加工痕跡和輕微的彈坑痕跡，隨著噴丸強度的提高，加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯；當噴丸強度達到0.25～0.30 mm時，彈坑周圍出現大量微裂紋，這可能會成為疲勞裂紋的萌生位置，使試樣疲勞壽命降低。

圖5 未噴丸和不同噴丸強度下激光增材制造TC18鈦合金的表面形貌Fig.5 Surface morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d)

2.2 表面粗糙度及殘余應力

由圖6可以看出：噴丸試樣的表面粗糙度明顯高于未噴丸試樣(即噴丸強度為0)的，隨噴丸強度增加，試樣表面粗糙度亦增加；0.15～0.20 mm和0.20～0.25 mm噴丸強度下試樣表面粗糙度相差不大，0.25～0.30 mm噴丸強度下試樣表面粗糙度較未噴丸試樣的增大了3倍左右，這與圖5的表面形貌相吻合。表面粗糙度的增加將不利于試樣的疲勞壽命，因為表面粗糙度較大時，局部應力集中也隨之增大，當應力大于材料的屈服強度時則會產生局部塑性變形，并導致裂紋萌生。

圖6 不同噴丸強度下激光增材制造TC18鈦合金的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

由圖7可知：未噴丸試樣表層也存在一定殘余壓應力，這是由于噴丸前試樣均經過機械車削加工所致；隨著噴丸強度的增加，試樣表面殘余壓應力增大，噴丸試樣表面殘余壓應力比未噴丸試樣的增大了70～120 MPa。表面殘余壓應力的存在可以降低外加載荷的不利影響，減小平均應力，提高疲勞裂紋萌生的抗力。

圖7 不同噴丸強度下激光增材制造TC18鈦合金的表面殘余壓應力Fig.7 Surface residual compressive stress of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shotpeening intensities

2.3 硬 度

由圖8可以看出，經噴丸強化后，試樣表面納米壓入深度明顯降低，說明噴丸處理使得激光增材制造TC18鈦合金的納米壓痕硬度有所提高。利用納米壓入設備自帶的軟件進行數據處理，可得未噴丸強化試樣的納米硬度及彈性模量分別為356.84 GPa和91.7 GPa；0.20～0.25 mm噴丸強度試樣的納米硬度及彈性模量分別為417.11 GPa和144 GPa，兩者較未噴丸試樣的分別提高了17%和57%，其原因為噴丸強化后合金表層組織出現形變，形成了一定厚度的加工硬化層，抑制了疲勞裂紋萌生以及早期的裂紋擴展。

圖8 未噴丸和0.20～0.25 mm噴丸強度激光增材制造TC18鈦合金的納米壓入曲線Fig.8 Nano-compression curves of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot-peening and with 0.20-0.25 mm shot peening intensity

2.4 疲勞壽命

由圖9可以看出：未噴丸試樣的中值疲勞壽命較低，約為83 600周次，噴丸強化后試樣的中值疲勞壽命顯著提高；隨著噴丸強度的提高，試樣疲勞壽命先增大后減小，0.20～0.25 mm噴丸強度試樣的中值疲勞壽命最高，達226 600周次，約為未噴丸試樣的2.7倍，強化效果最佳。噴丸工藝對疲勞壽命的影響是試樣表面殘余應力和表面粗糙度共同作用的結果。當噴丸強度小于0.25 mm時，隨著噴丸強度的提高，試樣表面車削痕跡逐漸消失，完整性得到提高，殘余壓應力增大，其對疲勞性能的提高作用高于表面粗糙度造成的不利影響，試樣疲勞壽命提高。當噴丸強度增至0.25～0.30 mm時，彈丸撞擊的力度增大，試樣表面粗糙度進一步增大，并且開始出現微裂紋，這給疲勞裂紋的萌生創(chuàng)造了條件，試樣表面受到較大的破壞，因此疲勞壽命又有所下降。

圖9 不同噴丸強度下激光增材制造TC18鈦合金的中值疲勞壽命Fig.9 Median fatigue life of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

2.5 疲勞斷口形貌

由圖10可以看出，未噴丸試樣的疲勞裂紋源位于距表面約400 μm處，而0.20～0.25 mm噴丸強度試樣的疲勞裂紋源向內部轉移，距離表面約800 μm，這是由于噴丸后材料表層發(fā)生塑性變形，硬度增大，裂紋萌生變得困難。此外，噴丸引入了數值更大、分布更深的殘余壓應力場，抑制了疲勞裂紋的擴展，因此可觀察到噴丸試樣的裂紋擴展區(qū)面積較未噴丸試樣的更大，裂紋擴展時間的延長提高了試樣的疲勞壽命。相比未噴丸試樣凹凸不平、溝壑林立的斷口形貌，噴丸強化試樣的斷口更加平整光滑，這主要是源于每個疲勞周次更短的裂紋擴展路徑。0.25～0.30 mm噴丸強度試樣的疲勞裂紋源幾乎位于表面，這是由于噴丸強度過大使得表面產生了微裂紋；放大后可清晰地觀察到該試樣表層形成了約20 μm厚的疏松層，其內部存在較多孔洞，這進一步降低了試樣的疲勞壽命?？梢姡^大或過小的噴丸強度均不利于激光增材制造TC18鈦合金疲勞壽命的提高。

圖10 未噴丸和不同噴丸強度下激光增材制造TC18鈦合金的疲勞斷口形貌Fig.10 Fatigue fracture morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d): (c) at low magnification and (d) at high magnification

3 結 論

(1) 隨著噴丸強度的提高，激光增材制造TC18鈦合金表面加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯，0.250.30 mm噴丸強度下出現微裂紋缺陷；試樣表面粗糙度和表層殘余壓應力均隨噴丸強度提高而增加；噴丸強化處理能夠提高激光增材制造TC18鈦合金的表面硬度和彈性模量。

(2) 隨著噴丸強度的提高，激光增材制造TC18鈦合金的疲勞壽命先增大后減小，0.20～0.25 mm噴丸強度試樣的疲勞壽命最高，約為未噴丸試樣的2.7倍；過高的噴丸強度會導致試樣表層出現疏松層，疲勞裂紋源向外表面轉移，疲勞壽命降低。