钛合金喷丸强化影响因素分析研究.pdf

钛合金喷丸强化影响因素分析研究 R e s e a r c ho nI n n u e n c i n gF a c t o ro fS h o tP e e n i n go fT i t a n i u m A l l o yP a r t 中航工业北京航空制造工程研究所尚建勤 【摘要】挖掘喷丸强化及其主要影响因素内涵，剖 析钛合金零构件喷丸强化问题，明确钛合金零构件，尤 其是薄壁钛合金零构件喷丸强化突出问题的基本解决 途径。 关键词：钛合金喷丸强化缺口敏感性表面 氧化零件壁厚 【A B S T R A C T l T h em a i ni n n u e n c i n gf a c t o r sa n dt i t a n i u ma l l o yp a r t sp r o b l e m so fs h o tp e e n i n ga r ea n a l y s e d T h es o l V i n ga p p r o a c ho fs h o tp e e n i n go ft i t a n i u ma l l o y p a r t s ，e s p e c i a l l yt h i n - w a n e dp a n s ，a r ea s c e r t a i n e d K e y w O r d s ：T i t a n i u ma l l o y S h o tp e e n i n gN O t c h s e n s m v i t yS u r f a c eo x i d a t i o nW a Ut h i c l m e s so fp a r t 表面改性日益成为金属加工领域人们的一种自觉 意识，一方面它可以在不改变材料、尺寸及重量前提下 改善金属材料使用性能；另一方面在确保金属零构件使 用性能的前提下，它可以减小结构尺寸、降低结构重量 甚至材料等级等。 喷丸强化是金属材料表面改性重要而经济的手段 之一。作为一种重要金属材料，钛合金应用领域持续扩 大，喷丸强化在钛合金中的应用也在不断深入。随着新 材料、新结构的一再推出，有关钛合金零构喷丸强化的 新的情况和问题也随之出现。在某些种类钛合金零构 件上应用效果良好的喷丸强化工艺，而在另外一些种类 钛合金零构上应用效果却大打折扣，甚至产生负效应， 直接影响钛合金零构件使用性能提高和喷丸强化效能 的发挥，因此人们迫切希望尽早认识和解决其中的问 题。 无疑，紧密结合钛合金材料及其零构件具体特点， 深入分析研究喷丸强化工艺及其影响因素，将有助于认 识和解决上述钛合金零构件喷丸强化问题。 1 喷丸强化及其机理 喷丸强化是利用高速弹丸流对金属零构件表面持 续撞击，使其表面产生塑性变形层和纤维组织变化，同 时又受到材料本身的约束，导致金属零构件表层残余压 应力场，由此可以提高金属零构件的疲劳寿命和耐腐蚀 性等使用性能。与其他强化工艺相比，喷丸强化效果佳、 成本低，零构件几乎不受设备的限制，而且周期短。 喷丸强化金属表层残余压应力场是与其内部弹性 拉应力场相互作用和平衡的结果。两者共生共灭，没有 表层残余压应力场便不存在内部弹性拉应力场，消除表 层残余压应力场则意味着内部弹性拉应力场的消失。 喷丸强度是喷丸强化的重要概念之一，表征喷丸 强化程度大小。喷丸强度大小以阿尔门试片为对象由 标准的固定方式、喷丸方法、弧高仪及弧高直一时间曲 线确定，单位为m m 或i n 。喷丸强度对应的覆盖率为 1 0 0 ，此时的喷丸强化、喷丸时间、弧高直一时间曲线 及其对应点分别被称为饱和喷丸、饱和喷丸时间、饱和 曲线及饱和点。获得甩1 0 0 覆盖率的方法是，保持 其他喷丸强化参数不变而仅改变喷丸时间为玎饱和 喷丸时间。确定的喷丸强度，可以对应若干组喷丸强化 参数组合。 喷丸强化属于喷丸工艺。喷丸工艺分类方法较多。 按用途分为喷丸清理、喷丸成形、喷丸校形、喷丸强化； 按弹丸干湿程度分为干喷丸和湿喷丸；按弹丸获得速度 的方式分为气动式、离心式、旋片式、自由落体式等；弹 丸材料种类分为：铸铁丸、铸钢丸、陶瓷丸、玻璃丸等。 喷丸强化的方式、特点、要求、工艺及其参数等与喷丸清 理、喷丸成形及喷丸校形之间既有联系又有区别；例如 喷丸成形以获得金属零构件外型为目的，通常不限定覆 盖率大小，喷丸强化通过获得表层压应力场以提高金属 零构件使用性能为目的，同时尽可能保持零构件外型少 变或不变，一般要求覆盖率不小于1 0 0 。 喷丸强化是传统工艺，同时在长期应用实践活动中 伴随人类文明进步的步伐，共享人类技术进步的发展成 果，不断改进与完善，因此又是现代先进工艺，未来仍将 在广泛地应用中不断发展进步。 2 喷丸强化影响因素 影响喷丸强化的工艺因素较多，各工艺因素之间相 互作用，互为影响，直接或间接地影响着最终喷丸强化 效果。 喷丸强化工艺因素包括：设备型号、干湿喷丸、弹 丸速度、弹丸规格、弹丸流量、喷射距离、喷射角、喷丸时 间、覆盖率、零构件壁厚、强化方式、强化轨迹、强化顺序 2 0 1 3 年第1 6 期航空制造技术1 5 7 万方数据 等。下面选择部分主要喷丸强化工艺因素，分析研究其 对喷丸强化的影响。 2 1 弹丸规格 弹丸规格涉及弹丸材料、弹丸状态、弹丸形状、弹丸 大小等。喷丸强化所使用的弹丸材料包括铸铁丸、铸钢 丸、切割钢丝丸、陶瓷丸、玻璃丸等。弹丸状态主要是指 金属弹丸的热处理状态及其所达到的硬度。 弹丸材料及其状态的选择因喷丸强化零构件的材 料、壁厚、强化要求等不同而有所区别，直接影响零构件 喷丸强化效果。不同的弹丸材料对确定零构件喷丸强 化时效果差别显著，一是所产生的残余压应力峰值大小 不同，二是因残余压应力峰值对应的参数范围变化而使 零构件表面质量不同。 当弹丸材料、弹丸状态、弹丸形状确定之后，人们习 惯性认为弹丸直径尺寸越大则在金属零构件表层产生 更大压应力和更深压应力层。其实并不尽然，如当弹丸 材料与零构件材料达到某种程度的协调时，弹丸直径尺 寸并不影响金属零构件表面压应力层深度。因此，应当 区分不同弹丸材料及其状态与具体喷丸强化对象，以免 生搬硬套产生错误。 当喷丸强化对象和有关弹丸的其他因素确定之后， 弹丸大小的选择尤为重要。通常，喷丸强化零构件壁厚 越大则可以选用弹丸直径越大，反之亦然，务必杜绝薄 壁零构件选用大直径弹丸进行喷丸强化。在国外有关 工艺规范中，列出了零构件壁厚与弹丸直径大小之间的 关系曲线。 2 2 弹丸速度 弹丸速度是极为敏感的喷丸强化工艺因素之一。 通常，弹丸速度越大，金属材料表层产生的残余压应力 值及压应力层深度越大，反之亦然。喷丸强化时弹丸速 度一定要适中尤其不能太大，因为弹丸速度小而引起的 喷丸强度不足很容易被及时发现，而弹丸速度大所导致 的危害则不易被及时发觉。 与喷丸成形一样，喷丸强化通过限制金属零构件表 面所允许的最大弹坑直径值( 简称最大坑径) 实现对弹 丸速度的限制，不同的金属零构件材料和弹丸规格对应 不同的最大坑径。 最大坑径的测量方法看似简单，但是实际确定最大 坑径并不容易，结果往往导致喷丸强化零构件局部表面 最大坑径值超标，使喷丸强化零构件报废。 2 3 弹丸流量与喷丸时间 弹丸流量与喷丸时间之间关系密切，对于确定的覆 盖率则弹丸流量与喷丸时间之间存在类似反比例的关 系。 通常，弹丸流量容易被简单化，简化为单位时间内 1 5 8 航窄制造技术2 0 1 3 年第1 6 期 的弹丸重量。 实际上弹丸流量的概念要远比我们想象的复杂，涉 及喷丸强化的方式、轨迹、顺序、零构件本身等，它们之 间的不同排列组合将导致喷丸强化效果的千差万别，或 者成就某种零构件的喷丸强化，或者降低甚至毁掉某种 零构件喷丸强化的可行性。其重要性可见一斑。 2 4 覆盖率 覆盖率是喷丸强化的基本要求之一，喷丸强度通常 对应的覆盖率不小于1 0 0 。 在喷丸强化条件( 即1 0 0 覆盖率) 下，覆盖率越 高则喷丸强度值越高、压应力层深度越深，也就是说随 着覆盖率的增大喷丸强度值和压应力层并不是不再增 加。 但是，当2 0 0 覆盖率以后，继续增大覆盖率所 引起的喷丸强度和压应力层深度增加值越来越小，与所 消耗能量、花费时间、损失效率等相比较显得不值。此 外，过大的覆盖率也有损于喷丸强化效果。因此，喷丸 强化覆盖率一般不超过2 0 0 。 当弹丸规格和速度确定，由于受到喷丸强化的方 式、轨迹、顺序、零构件本身等影响，同样的覆盖率往往 呈现出不一样的喷丸效果，对一些特殊种类的喷丸强化 零构件更是如此。 当弹丸规格、弹丸流量、喷嘴移动速度及喷丸对象 确定之后，覆盖率似乎应该确定，其实不然，往往较大的 弹丸速度对应较大的覆盖率，反之亦然。 2 5 零构件壁厚 在大多数情况下，喷丸强化不涉及厚度或壁厚的概 念，如较大尺寸的轴类、齿轮类、盘类等零构件的喷丸强 化，在此基础上获得大量具有重要价值的研究成果和结 论，指导着这类零构件的喷丸强化实践活动。 但是，喷丸强化相对壁厚较薄的零构件时，如果不 加区别地应用有关上述喷丸强化成果与结论将导致严 重甚至灾难性后果。 喷丸强化相对壁厚较薄的零构件时，零构件壁厚是 一个不可忽视的重要因素，直接影响弹丸规格、设备型 号、强化方式及其他喷丸强化工艺参数的选择，较小的 厚度或壁厚则选择较小的喷丸强度，反之亦然。 3 钛合金喷丸强化 钛合金性能优异、应用广泛、并且应用领域与范围 不断扩展，与此同时喷丸强化工艺也日益广泛地被应用 于钛合金零构件加工制造，通过形成表面残余压应力层 降低钛合金零构件对缺口敏感程度、改善与增强钛合金 零构件使用性能。 钛合金零构件依据壁厚可以分为：厚壁和薄壁两 万方数据 种。喷丸强化钛合金零构件壁部静力学性能是否明显 降低是区分薄壁与厚壁的依据，薄壁与厚壁是相对的， 对于某些零构件在不同喷丸条件下薄壁与厚壁是可以 相互转化的。下面分别探讨厚壁和薄壁钛合金零构件 的喷丸强化问题。 3 1 厚壁钛合金件喷丸强化 厚壁钛合金零构件包括直径尺寸较大的轴类和厚 板类钛合金零构件，壁厚等尺寸因素对此类钛合金零构 件喷丸强化的影响明显弱化不再是主要影响因素，钛合 金材料本身成为此类钛合金零构件喷丸强化的最重要 影响因素。因此，厚壁钛合金零构件喷丸强化等同于钛 合金零构件喷丸强化。 钛合金材料缺口敏感性高，钛合金零构件喷丸强化 效果因此受到较大影响。研究表明，合理规划喷丸强化 前、后处理工序及其顺序与组合，在喷丸强化前降低与 消除内部残余拉应力、显著降低表面粗糙度、改善表面 质量，在喷丸强化之后改善喷丸强化表面状况等，明显 有利于降低和消除钛合金材料缺口敏感性的消极影响， 有利于改善钛合金零构件喷丸强化效果。 此外，钛合金零构件表面在加工过程中因易氧化而 损害使用性能，因此在喷丸强化及其前、后处理中应尽 力避免钛合金零构件表面产生加工氧化，最好在打磨、 抛光、光饰、喷丸等全过程采取防止钛合金零构件表面 产生加工氧化的有效措施。 3 2 薄壁钛合金件喷丸强化 实际上薄壁钛合金零构件类似普通钛合金钣金零 构件，其壁厚可以小到1 m m 左右甚至更小，按照常规喷 丸强化工艺及参数处理这类零构件之后，其使用性能不 总是提高。 研究表明，导致上述结果的主要原因是此类零构件 壁厚与弹丸规格、强化方式及工艺参数等不匹配，如喷 丸强度相对偏大。因此，为了获得理想喷丸强化效果， 务必使零构件壁厚与喷丸强化条件相互协调，如前所述 较小的壁厚选择较小的喷丸强度等。 4 小结 缺口敏感性高、加工表面易氧化、壁厚与喷丸参数 不匹配等是钛合金零构件尤其是薄壁钛合金零构件喷 丸强化中的突出问题，其中最后一个问题也是其他金属 材料薄壁零构件喷丸强化中的共性问题，通过上述分析 研究明确了这些喷丸强化问题的基本解决途径。 ( 1 ) 合理制定钛合金零构件喷丸强化目标，使之更 加符合喷丸强化实际而利于实现。 ( 2 ) 通过喷丸强化之前和之后的合理处理，降低和 消除钛合金因缺口敏感性高对零构件喷丸强化效果的