華 程，姚 蘭，楊 屹，李 維，易吉豪

(1. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092；2. 成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川 成都 611731)

0 前 言

疲勞斷裂是航空零部件發(fā)生失效的主要模式，且大多數(shù)零部件疲勞斷裂時(shí)疲勞裂紋源在表面[1]，為了航空零部件特別是關(guān)鍵重要件的延壽，工藝技術(shù)人員對提高航空零部件的疲勞強(qiáng)度和改善其疲勞性能做了大量的研究工作[2-8]?？蛊趶?qiáng)化技術(shù)一直是航空高可靠性、長壽命必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。其中，噴丸強(qiáng)化因具有成本低廉、效果顯著和壓應(yīng)力場深的特點(diǎn)，同時(shí)零部件在噴丸強(qiáng)化過程中可以形成有效的殘余壓應(yīng)力，對零部件表面進(jìn)行形變強(qiáng)化不僅可以大大改善其疲勞性能，同時(shí)也可以顯著提高應(yīng)力腐蝕開裂抗力，因此表面噴丸強(qiáng)化能夠有效地提高零部件使用的可靠性和耐久性。在傳統(tǒng)的一次鑄鋼噴丸的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合噴丸強(qiáng)化，即先采用高強(qiáng)度鑄鋼噴丸再采用低強(qiáng)度陶瓷噴丸的二次噴丸的工藝，則能更進(jìn)一步改善材料的表面完整性，植入更大的殘余壓應(yīng)力，從而進(jìn)一步地延長疲勞壽命。此前復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝在A - 100超高強(qiáng)度鋼上已獲得驗(yàn)證[9，10]，復(fù)合噴丸強(qiáng)化已成為超高強(qiáng)度鋼噴丸強(qiáng)化的一個(gè)發(fā)展方向。

PH13 - 8Mo(0Cr13Ni8Mo2Al)材料是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有良好的耐蝕性、較高強(qiáng)度和斷裂韌性，已在航空上大量用于制造疲勞關(guān)鍵零件[11-13]，這些承力零件經(jīng)常在高壓、高載等惡劣條件下工作，再加上高強(qiáng)度合金材料突出的弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對應(yīng)力集中敏感[14]，其疲勞和可靠性問題引起高度重視。高玉魁等[15，16]研究了傳統(tǒng)鑄鋼噴丸強(qiáng)化對PH13 - 8Mo不銹鋼疲勞壽命的影響，而PH13 - 8Mo復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝研究尚未見報(bào)道。復(fù)合噴丸強(qiáng)化在高強(qiáng)度不銹鋼上實(shí)施的抗疲勞響應(yīng)效果如何值得研究，因此本工作針對PH13 - 8Mo常用的3種熱處理狀態(tài)H510、H540和H550，開展復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝研究，研究表面形貌、表面粗糙度和殘余應(yīng)力場等對疲勞性能的影響，以滿足航空上對PH13 - 8Mo關(guān)鍵零件抗疲勞強(qiáng)化的迫切需求。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為PH13 - 8Mo -φ70 mm固溶狀態(tài)鋼棒，其化學(xué)成分實(shí)測值見表1。鋼棒粗加工后進(jìn)行最終熱處理(固溶處理+冷處理+時(shí)效處理)，其中固溶處理：925 ℃保溫1 h；冷處理：0 ℃保溫2 h；時(shí)效處理：H510、H540和H550分別對應(yīng)510 ℃保溫4 h，540 ℃保溫4 h和550 ℃保溫4 h。每種熱處理狀態(tài)加工3根縱向標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，按GB/T 228.1-2010測試PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP 0.2、斷后伸長率A5、斷面收縮率Ψ、沖擊值A(chǔ)Ku)平均值見表2。

表1 PH13 - 8Mo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

將最終熱處理后的PH13 - 8Mo棒材分別加工成15 mm×15 mm×20 mm板型的試樣和如圖1所示的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣。板型試樣用于表面形貌、表面粗糙度和殘余應(yīng)力場的測試，應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1和Kt=2的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣用于疲勞壽命的測試，獲得噴丸工藝在不同的應(yīng)力集中系數(shù)下的疲勞增益響應(yīng)。板型試樣和旋轉(zhuǎn)彎曲試樣按表3的要求進(jìn)行噴丸后對比測試，每種噴丸狀態(tài)至少測試5根疲勞試樣。采用TRAALTECHNIE數(shù)控氣動(dòng)式噴丸機(jī)噴丸，使用的彈丸為鑄鋼丸S230和陶瓷丸Z300，具體噴丸強(qiáng)化參數(shù)見表3。

表3 PH13 - 8Mo鋼噴丸工藝參數(shù)

1.3 測試方法

用Zeiss sigma300掃描電鏡觀察板型試樣的受噴表面和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的斷口。板型試樣受噴表面采用FTS - i120表面輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度測試。將板型試樣電解拋光，并采用iXRD - Combo型X射線殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。在不同應(yīng)力水平下，在PQ6 - 9旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上按HB 5152-1996進(jìn)行疲勞性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

表4為不同的噴丸工藝條件下，Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞壽命測試結(jié)果(最大應(yīng)力σmax=800 MPa，循環(huán)特征R=-1)。表5為不同的噴丸工藝條件下，Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞壽命測試結(jié)果(σmax=550 MPa，R=-1)。特別說明，對于Kt=1疲勞試樣，復(fù)合噴丸相對一次噴丸而言，H540狀態(tài)和H550狀態(tài)的增益在1倍以上，而H510的只有0.3倍，因此補(bǔ)充H510的Kt=2狀態(tài)下的壽命增益相比，因?yàn)橥ǔ?yīng)力集中系數(shù)越大，噴丸增益效果越明顯。表4和表5中的壽命增益I為“一次噴丸試樣中值疲勞壽命”減去“未噴丸試樣中值疲勞壽命”再除以“未噴丸試樣中值疲勞壽命”，壽命增益II為“復(fù)合噴丸中值疲勞壽命”減去“一次噴丸中值疲勞壽命”再除以“一次噴丸中值疲勞壽命”。

表4 PH13 - 8Mo鋼Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命對比

表5 PH13 - 8Mo鋼Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命對比

由表4可見，PH13-8Mo采用噴丸強(qiáng)化延長材料疲勞壽命潛力較大，H510、H540和H550狀態(tài)下試樣經(jīng)過一次噴丸強(qiáng)化，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)的中值疲勞壽命至少延長了1個(gè)數(shù)量級，經(jīng)復(fù)合噴丸后的試樣，在一次噴丸的基礎(chǔ)上疲勞壽命獲得進(jìn)一步的延長，其中H540和H550狀態(tài)的疲勞壽命均延長1倍以上，而H510狀態(tài)復(fù)合噴丸較一次噴丸的疲勞壽命提升相對較少，僅提升0.3倍。但從表5可知，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)為Kt=2時(shí)，H510狀態(tài)復(fù)合噴丸較一次噴丸的疲勞壽命增益顯著，提升了5.5倍。

疲勞斷裂屬于“表面起裂引發(fā)的斷裂”，它往往不取決于基體材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，而取決于材料的表面狀態(tài)。噴丸強(qiáng)化可改善材料表面形貌、表面粗糙度和表層殘余應(yīng)力場。復(fù)合噴丸強(qiáng)化較一次噴丸強(qiáng)化獲得的疲勞壽命增益效果均與此有關(guān)。

在表面形貌方面，機(jī)械加工零件的表面往往留有較深的加工刀痕，尤其是一些加工難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件或部位，如內(nèi)腔、異型面等加工，在成形后肉眼看見顯著的加工刀痕。研究表明[17，18]，零件發(fā)生疲勞斷裂，裂紋源往往萌生在這些加工刀痕的地方，這是由于加工刀痕相當(dāng)于在零件表面的微小缺口，這些缺口雖然深度不大，但是寬度卻很窄，從力學(xué)角度分析，在外載作用下這些小缺口將會引發(fā)較大的應(yīng)力集中。因此對于噴丸而言，最基本的要求是掩蓋加工刀痕，即噴丸處理后的加工刀痕應(yīng)被彈丸沖擊彈坑所取代。圖2為不同噴丸工藝下，板型試樣受噴表面形貌。由圖2可見，對于H510狀態(tài)，一次噴丸能夠掩蓋加工刀痕，經(jīng)復(fù)合噴丸后表面更加平整。而對于H540和H550狀態(tài)，一次噴丸后無法完全掩蓋加工刀痕，這可能與彈丸及受噴材料的匹配有關(guān)，經(jīng)復(fù)合噴丸后加工刀痕減輕，且表面更加平整。表面狀態(tài)越差，噴丸強(qiáng)化效果越顯著[19]，這也是H540和H550狀態(tài)的復(fù)合噴丸相對鑄鋼噴丸疲勞壽命增益更顯著的原因之一。同理，材料的應(yīng)力集中系數(shù)增加，強(qiáng)化增益效果隨之顯著增加，與一次噴丸強(qiáng)化相比，Kt=2復(fù)合噴丸強(qiáng)化的增益效果也顯著優(yōu)于Kt=1的。

在表面粗糙度方面，一般來說，表面粗糙度越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，材料的疲勞壽命會隨之降低。表6為不同噴丸工藝條件下，板型試樣受噴表面粗糙度。由表6可知，PH13 - 8Mo材料在3種熱處理狀態(tài)下，復(fù)合噴丸表面粗糙度均略優(yōu)于一次噴丸。

表6 不同噴丸工藝條件下板型試樣受噴表面粗糙度

在殘余應(yīng)力場方面，圖3為在不同噴丸條件下，H510狀態(tài)板型試樣殘余應(yīng)力場分布。

由圖3可知，未噴丸試樣的殘余壓應(yīng)力值小，深度約為100 μm。一次噴丸強(qiáng)化后，試樣近表層(0～200 μm)的殘余壓應(yīng)力值大幅增加。增加復(fù)合噴丸后，又進(jìn)一步增加了試樣近表層(0～250 μm)的殘余壓應(yīng)力值。

圖4為510狀態(tài)試樣疲勞斷口裂紋萌生位置的SEM形貌。在試樣工作端截面，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞應(yīng)力呈梯度分布，即表面應(yīng)力高，內(nèi)部應(yīng)力低。未噴丸試樣表面由于存在加工痕跡的應(yīng)力集中，疲勞裂紋首先在表面萌生，見圖4a。而經(jīng)一次噴丸或復(fù)合噴丸后，在近表層植入更深的殘余壓應(yīng)力，從而有效降低試樣表面受到的有效循環(huán)拉應(yīng)力，表面應(yīng)力集中降低，如圖4b和4c所示，疲勞薄弱點(diǎn)由試樣表面轉(zhuǎn)移到試樣次表層，即提高了疲勞裂紋萌生的外加載荷門檻值，因此試樣的疲勞性能提高1個(gè)數(shù)量級。

3 結(jié) 論

(1)與未噴丸相比，PH13 - 8Mo鋼噴丸強(qiáng)化后的疲勞壽命至少延長1個(gè)數(shù)量級。

(2)與一次噴丸相比，PH13 - 8Mo鋼復(fù)合噴丸后的表面粗糙度和表面形貌均較優(yōu)。

(3)與一次噴丸相比，復(fù)合噴丸對PH13 - 8Mo鋼殘余應(yīng)力場的影響主要是來自于復(fù)合噴丸增加了近表層的殘余壓應(yīng)力值。

(4)與一次噴丸相比，H540和H550狀態(tài)的復(fù)合噴丸的疲勞增益效果顯著優(yōu)于H510狀態(tài)。在σmax=800 MPa，R=-1條件下，H510、H540和H550狀態(tài)Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命分別延長了0.3倍、1.4倍和1.4倍。

(5)與一次噴丸相比，Kt=2復(fù)合噴丸增益效果顯著優(yōu)于Kt=1。在σmax=550 MPa，R=-1條件下，Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命延長了5.5倍。