蔡 晉，謝廣安，閆 雪，李 威

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136；2.中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 200241)

噴丸強(qiáng)化作為葉片、盤(pán)、軸、鼓筒、軸頸等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的表面處理的標(biāo)準(zhǔn)工藝，能夠?qū)⒘鸭y萌生從表面轉(zhuǎn)移到次表面區(qū)域，延緩疲勞失效的發(fā)生，顯著提高部件的疲勞壽命，德國(guó)MTU公司與克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出采用超聲噴丸技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的噴丸工藝，利用超聲噴丸的噴丸介質(zhì)隨機(jī)分布沖擊特征，降低葉盤(pán)等薄壁件畸變程度，并證明了超聲噴丸工藝在不同鈦合金強(qiáng)化時(shí)具有低粗糙度及長(zhǎng)疲勞壽命的典型特征[1–2]。表面覆蓋率是控制噴丸工藝一致性的重要參數(shù)，對(duì)噴丸表面質(zhì)量、噴丸構(gòu)件的機(jī)械性能以及經(jīng)濟(jì)性有重要影響，是噴丸過(guò)程中最重要的“可測(cè)量”變量。但對(duì)覆蓋率的實(shí)際控制和預(yù)測(cè)方法并未得到有效驗(yàn)證。金屬零件的疲勞性能受噴丸覆蓋程度的影響較大[3–4]，在噴丸過(guò)程中，通常會(huì)因覆蓋率過(guò)大而導(dǎo)致“過(guò)噴丸”現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋萌生點(diǎn)。低覆蓋率（≤100%）同樣會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命降低，這是由于低覆蓋率下殘余壓應(yīng)力場(chǎng)沒(méi)有在試樣表面充分覆蓋，使噴丸引入的表面粗糙度在疲勞過(guò)程中發(fā)生早期裂紋萌生[5]。充分覆蓋的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)可以極大地降低早期裂紋萌生比例，使整體疲勞壽命顯著增強(qiáng)。因此對(duì)噴丸覆蓋率的控制極其重要[6]。

傳統(tǒng)覆蓋率檢測(cè)方法效率低，結(jié)果準(zhǔn)確性受零件復(fù)雜外形、機(jī)械性能及環(huán)境影響較大[7]，超聲噴丸過(guò)程中彈丸沖擊角度和速度具有高度隨機(jī)性，模擬過(guò)程復(fù)雜。文獻(xiàn)[8–12]基于預(yù)先設(shè)定的位置和排列方式對(duì)多彈丸模型進(jìn)行噴丸研究，討論沖擊模式對(duì)噴丸工藝的影響，這種簡(jiǎn)化模型不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際噴丸過(guò)程中的隨機(jī)性，因此這些研究方法通常無(wú)法模擬實(shí)際超聲噴丸強(qiáng)化的覆蓋條件。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的超聲噴丸數(shù)值模擬研究改變了以往的二維、三維簡(jiǎn)化模型研究方法，基于振動(dòng)理論建立了較完善的超聲噴丸數(shù)值模型體系。王業(yè)輝[13]對(duì)超聲噴丸過(guò)程進(jìn)行了有限元研究，分析了超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，得出超聲噴丸工藝參數(shù)與TC4鈦合金殘余應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系。劉輝等[14]通過(guò)數(shù)值模擬方法，分析了TC4鈦合金超聲噴丸與傳統(tǒng)噴丸表面應(yīng)力及粗糙度方面的差異。楊天南等[15]定量仿真分析了激勵(lì)振動(dòng)幅值對(duì)TC4鈦合金超聲噴丸表面形貌及應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律。蔡晉等[16]探討了超聲噴丸腔室形狀與零件局部沖擊密度的關(guān)系，證明了通過(guò)改變超聲噴丸腔室形狀和振動(dòng)頭振幅，可以實(shí)現(xiàn)零件目標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)化范圍和強(qiáng)度的控制。過(guò)往的研究較多以殘余應(yīng)力、粗糙度分布為研究對(duì)象，沒(méi)有圍繞覆蓋率開(kāi)展系統(tǒng)的試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比研究，本研究以TC4鈦合金為研究對(duì)象，結(jié)合超聲噴丸試驗(yàn)及仿真，研究超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)覆蓋率的影響，基于ABAQUS構(gòu)建有限元振動(dòng)系統(tǒng)，并施加激勵(lì)控制，實(shí)現(xiàn)超聲噴丸工藝多彈丸高度復(fù)雜隨機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)比分析彈丸數(shù)量及彈丸直徑對(duì)試樣表面覆蓋率、等效應(yīng)變場(chǎng)的影響規(guī)律。

試驗(yàn)材料與研究方法

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用TC4鈦合金，熱處理方式為710℃保溫2h使其完全退火，爐冷至150℃以下，進(jìn)行二次退火處理，550℃保溫2h，最后爐冷至室溫，將TC4鈦合金板材切割成50mm×60mm×5mm的試樣。TC4鈦合金超聲噴丸前表面狀態(tài)如圖1所示，化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemistry component of TC4 titanium alloy(mass fraction)%

圖1 TC4鈦合金超聲噴丸前表面狀態(tài)Fig.1 Surface state before ultrasonic shot peening of TC4 titanium alloy

2 超聲噴丸處理

對(duì)TC4鈦合金試樣進(jìn)行超聲噴丸處理，設(shè)置振動(dòng)系統(tǒng)頻率20kHz，振動(dòng)幅值為60μm，采用正弦波控制，采用氧化鋯陶瓷彈丸，超聲噴丸試驗(yàn)裝置如圖2所示，超聲噴丸工藝參數(shù)如表2所示。

圖2 超聲噴丸試驗(yàn)裝置Fig.2 Device of ultrasonic shot peening experiment

表2 超聲噴丸模型工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of ultrasonic shot peening model

有限元模型

1 本構(gòu)模型

在超聲噴丸過(guò)程中，材料表層受彈丸連續(xù)沖擊發(fā)生高度塑性變形，材料的屈服極限在不同的應(yīng)變速率下將發(fā)生改變，TC4鈦合金材料的塑性參數(shù)采用Johnson–Cook[17]模型，如式（1）所示。

式中，σ為材料應(yīng)力；A為材料靜態(tài)屈服應(yīng)力；B為材料應(yīng)變冪指系數(shù)；ε為材料等效塑性應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率敏感系數(shù)；ε●*為應(yīng)變影響因子；T*為溫度影響因子；m為溫度敏感性系數(shù)，相應(yīng)的本構(gòu)參數(shù)如表3所示[18]。

表3 TC4材料本構(gòu)模型參數(shù)Table 3 Material constitutive model parameters of TC4

2 腔室及模型設(shè)置

基于UG/NX12.0建立3D模型，將腔室等幾何模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行有限元仿真，建立6組有限元模型，其中試樣尺寸50mm×60mm× 5mm，振動(dòng)頭直徑50mm，導(dǎo)入材料模型，設(shè)置振動(dòng)系統(tǒng)頻率20kHz，振動(dòng)幅值采用正弦波控制，采用動(dòng)態(tài)顯示算法，場(chǎng)變量輸出應(yīng)力、應(yīng)變、位移、力場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比不同模型試樣的最終位移場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)的變化來(lái)判斷彈丸數(shù)量、彈丸直徑對(duì)TC4鈦合金試樣表面覆蓋率的影響規(guī)律，并采用Image J分析兩種工藝參數(shù)對(duì)覆蓋率的影響規(guī)律，模型參數(shù)如表2所示。

仿真過(guò)程中TC4鈦合金試樣、彈丸、振動(dòng)頭和腔室的材料屬性如表4所示，超聲噴丸過(guò)程如圖3所示。

圖3 超聲噴丸過(guò)程示意圖Fig.3 Ultrasonic shot peening process diagram

表4 各零部件材料屬性Table 4 Material properties of each components

超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)覆蓋率的影響分析

1 彈丸數(shù)量對(duì)試樣覆蓋率的影響

基于表2中模型c、d、e研究彈丸數(shù)量對(duì)試樣覆蓋率的影響，彈丸數(shù)量分別設(shè)置為100、150、200，進(jìn)行10s超聲噴丸仿真，對(duì)試樣的位移場(chǎng)及等效應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4（a）、（b）、（c）為100、150、200個(gè)彈丸模型中試樣表面位移場(chǎng)，比較10s時(shí)位移場(chǎng)中凹坑的數(shù)量，結(jié)果顯示，隨著彈丸數(shù)量的增多，試樣表面凹坑密度顯著增加，單位時(shí)間內(nèi)，增加彈丸數(shù)量的同時(shí)增加了彈丸沖擊試樣表面的概率。圖4（d）～（f）為3種模型試樣表面等效應(yīng)變場(chǎng)，比較等效應(yīng)變場(chǎng)與位移場(chǎng)，位移場(chǎng)中的凹坑基本與等效應(yīng)變場(chǎng)中的局部應(yīng)變點(diǎn)位置一致，表明變形為塑性變形，因此增加彈丸數(shù)量可以增加試樣表面的噴丸覆蓋率。

對(duì)不同彈丸數(shù)量下凹坑等效應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行image J圖像分析，定量研究覆蓋率的變化，圖4（g）～（i）為不同彈丸數(shù)量試樣表面凹坑的閾值分布狀態(tài)。結(jié)果分析表明，100、150、200個(gè)彈丸模型在10s的覆蓋率分別為16.6%、36.2%、48.1%，覆蓋率分析二值分布如圖4（j）、（k）、（l）所示。

圖4 不同彈丸數(shù)量模型的場(chǎng)分布及覆蓋率分析Fig.4 Field distribution and coverage analysis under different numbers of spheres

對(duì)比100、150、200個(gè)彈丸模型的位移場(chǎng)及等效應(yīng)變場(chǎng)，隨著彈丸數(shù)量的增加，相同時(shí)間內(nèi)，試樣表面單位面積內(nèi)凹坑數(shù)量增加、等效應(yīng)變場(chǎng)中塑性變形區(qū)的密度增加，局部應(yīng)變點(diǎn)增加，因此在單位時(shí)間內(nèi)，增加彈丸數(shù)量可以增加試樣表面的覆蓋率。

2 彈丸直徑對(duì)試樣覆蓋率的影響

基于模型a、b、c研究彈丸直徑對(duì)試樣覆蓋率的影響，彈丸直徑設(shè)置為0.5mm、1mm、2.5mm，進(jìn)行10s超聲噴丸仿真，圖5（a）、（b）、（c）為0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型中試樣表面位移場(chǎng)，比較10s時(shí)位移場(chǎng)中凹坑的數(shù)量，隨著彈丸直徑的增加，試樣表面凹坑數(shù)量顯著增加。圖5（d）、（e）、（f）為0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型中試樣表面等效應(yīng)變場(chǎng)，與位移場(chǎng)相比，位移場(chǎng)與等效應(yīng)變場(chǎng)基本一致。對(duì)比10s時(shí)等效應(yīng)變場(chǎng)中發(fā)生塑性變形的區(qū)域，結(jié)果表明，隨著彈丸直徑的增加，試樣表面塑性變形區(qū)域不斷增大，即其他條件不變的情況下，僅增加彈丸的直徑，試樣表面產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域增加，局部應(yīng)變點(diǎn)增加，表面覆蓋率增加。

圖5 不同彈丸直徑模型的場(chǎng)分布Fig.5 Field distribution under different diameters of spheres

對(duì)不同彈丸直徑超聲噴丸表面等效應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行圖像分析，彈丸直徑為0.5mm時(shí)由于沒(méi)有產(chǎn)生有效的等效應(yīng)變，因此沒(méi)有發(fā)生塑性變形，不在覆蓋率的統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)，認(rèn)為此時(shí)覆蓋率為0；其他兩組分析結(jié)果表明，1mm、2.5mm彈丸直徑模型在10s時(shí)的覆蓋率分別為8.1%、16.6%，圖像分析如圖6所示。

圖6 1mm、2.5mm彈丸直徑模型試樣表面覆蓋率分析Fig.6 Surface coverage analysis of 1mm,2.5mm diameter of sphere model

比較0.5mm、1mm、2.5mm直徑彈丸模型的位移場(chǎng)及等效應(yīng)變場(chǎng)，結(jié)果表明，隨著彈丸直徑的增加，相同時(shí)間內(nèi)，試樣表面單位平面內(nèi)凹坑數(shù)量及密度增加、等效應(yīng)變場(chǎng)中塑性變形區(qū)的密度增加，局部應(yīng)變點(diǎn)增加，在單位時(shí)間內(nèi)，其他條件不變的情況下，增加彈丸直徑可以增加試樣下表面的覆蓋率。對(duì)比彈丸數(shù)量與彈丸直徑對(duì)超聲噴丸過(guò)程覆蓋率的影響，彈丸直徑在0.5～2.5mm范圍變化時(shí)，覆蓋率由0提高至16.6%，彈丸數(shù)量在100～200變化時(shí)，覆蓋率由16.6%提高至48.1%。因此在常用參數(shù)范圍內(nèi)，彈丸直徑對(duì)初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態(tài)的影響更顯著。在彈丸直徑達(dá)到?jīng)_擊塑性臨界值后，在一定范圍內(nèi)，彈丸數(shù)量引起的覆蓋率提高更顯著。

3 超聲噴丸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7（a）、（b）、（c）為彈丸數(shù)量100、150、200超聲噴丸表面凹坑分布情況，圖7（d）、（e）、（f）為彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm超聲噴丸表面凹坑分布情況。采用TCV–2A覆蓋率檢測(cè)儀對(duì)不同彈丸數(shù)量與彈丸直徑超聲噴丸TC4鈦合金表面進(jìn)行表征與分析，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)像素與圖像總像素?cái)?shù)比得出表面平均覆蓋率。超聲噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，大量彈丸連續(xù)不斷地隨機(jī)高速撞擊試樣表面，表層材料發(fā)生塑性變形，使試樣表面形成致密的小壓痕或凹坑，引起表面形貌發(fā)生變化。與超聲噴丸前試樣表面狀態(tài)相比（圖1），結(jié)構(gòu)件噴丸強(qiáng)化前的表面存在部分較細(xì)且平直的軋制痕跡，噴丸強(qiáng)化后的表面則由較多相互交叉、疊加在一起的凹坑組成。對(duì)比兩種變量下超聲噴丸試樣的表面形貌特征，相同超聲噴丸時(shí)間內(nèi)，圖7（a）～（c）3組試樣表面凹坑尺寸及覆蓋程度較（d）～（f）更高，彈丸數(shù)量及彈丸尺寸的增加，使凹坑重疊的幾率增加，與仿真結(jié)果相似。與增加彈丸數(shù)量相比，彈丸直徑對(duì)初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態(tài)的影響更顯著。在彈丸直徑達(dá)到?jīng)_擊塑性臨界值后，彈丸數(shù)量由100增加到200的過(guò)程中，彈丸數(shù)量引起的凹坑覆蓋密度提高更顯著。

圖7 不同彈丸數(shù)量與彈丸直徑超聲噴丸試樣表面狀態(tài)Fig.7 Surface states of ultrasonic shot peening sample under different numbers and diameters of spheres model

圖8（a）和（b）分別為彈丸數(shù)量100、150、200與彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm超聲噴丸覆蓋率仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比情況，在仿真方面，彈丸數(shù)量100、150、200對(duì)應(yīng)的覆蓋率分別為16.6%、36.2%、48.1%，彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm對(duì)應(yīng)的覆蓋率分別為0、8.1%、16.6%；在試驗(yàn)方面，彈丸數(shù)量100、150、200對(duì)應(yīng)的覆蓋率分別為15.2%、38%、52%，彈丸直徑0.5mm、1mm、2.5mm對(duì)應(yīng)的覆蓋率分別為0、9.5%、15.2%。兩組變量覆蓋率結(jié)果表明，覆蓋率與彈丸數(shù)量及彈丸直徑呈正相關(guān)，覆蓋率試驗(yàn)值與仿真值差異均較小，其中以彈丸數(shù)量為變量的研究中，當(dāng)彈丸數(shù)量為200時(shí)，試驗(yàn)值與仿真值覆蓋率差異存在極大值為3.9%，試驗(yàn)值與仿真值的誤差約7.5%；以彈丸數(shù)量為變量的研究中，當(dāng)彈丸直徑為2.5mm時(shí)，試驗(yàn)值與仿真值覆蓋率差異存在極大值為1.4%，試驗(yàn)值與仿真值的誤差約9.2%，兩個(gè)變量覆蓋率研究中，在覆蓋率差異為極值時(shí)，試驗(yàn)值與仿真值誤差均小于10%，差異較小，表明兩組變量的仿真模型可以用于TC4鈦合金超聲噴丸表面覆蓋率的有效預(yù)測(cè)。

圖8 不同彈丸數(shù)量與彈丸直徑超聲噴丸表面覆蓋率分析Fig.8 Analysis of ultrasonic shot peening surface coverage with different number and diameter of spheres

結(jié)論

（1）彈丸數(shù)量與彈丸直徑的增加，均可以使試樣表面凹坑、堆疊等特征的密度增加，從而使試樣表面覆蓋率增加。

（2）在常用參數(shù)范圍內(nèi)，彈丸直徑對(duì)初始沖擊塑性臨界值覆蓋率狀態(tài)的影響更顯著，在彈丸直徑達(dá)到?jīng)_擊塑性臨界值后，彈丸數(shù)量引起的覆蓋率提高更顯著。

（3）超聲噴丸過(guò)程使試樣表面形成致密的小壓痕或凹坑，引起表面形貌發(fā)生變化，與超聲噴丸前試樣表面狀態(tài)相比，表面部分較細(xì)且平直的軋制痕跡等特征被相互交叉、疊加在一起的凹坑特征所替代。

（4）試驗(yàn)值與仿真值誤差均<10%，對(duì)于簡(jiǎn)單試塊的超聲噴丸強(qiáng)化應(yīng)力場(chǎng)分析，可通過(guò)工藝仿真實(shí)現(xiàn)超聲噴丸表面覆蓋率的有效預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件（如復(fù)雜曲面葉片、復(fù)雜結(jié)構(gòu)樅樹(shù)榫頭、盤(pán)軸內(nèi)腔等結(jié)構(gòu)）覆蓋率研究提供思路。