先進噴丸表面改性技術研究進展

黃志超，呂世亮，謝春輝，盧能芝

(華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌 330013)

金屬材料的主要失效形式是疲勞和腐蝕，而疲勞和腐蝕均始于材料表面，因此，金屬材料表面的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著材料的綜合性能.噴丸強化技術是一種效果卓著的金屬零構(gòu)件表面變形強化工藝.噴丸強化處理使靶材獲得殘余壓應力和組織結(jié)構(gòu)細化，因而抑制靶材表面萌生裂紋并減緩裂紋擴展，進而使金屬零部件可以顯著地提高其表象疲勞極限與防腐能力.噴丸強化工藝因其顯著的優(yōu)點在工程領域中得到日益深入的應用和發(fā)展.

1 微粒子噴丸

傳統(tǒng)噴丸處理一方面賦予材料表面殘余應力層和表面硬化層，抑制了疲勞裂紋的萌生并減緩裂紋的擴展，提高了材料表面的疲勞強度，另一方面使材料表面的粗糙度增加，影響材料表面疲勞強度的提高.機械加工業(yè)的不斷發(fā)展，對材料表面性能提出了越來越高的要求，人們希望材料在提高表面疲勞強度的同時降低其表面的粗糙度.近期開發(fā)的微粒子噴丸工藝與傳統(tǒng)噴丸工藝相比，既能賦予材料表面更高的殘余壓應力，又能有效地降低材料表面的粗糙度，進一步提高了材料表面疲勞強度，且滿足了對表面光潔度要求高的抗疲勞構(gòu)件的使用要求.

表1比較了傳統(tǒng)噴丸強化與微粒子噴丸在噴丸方式、殘余壓應力、表面粗糙度等方面的特性.

表1 微粒子噴丸與傳統(tǒng)噴丸的性能比較［1］

張繼旺等［2］采用直徑(100 μm)的鋼丸和陶瓷丸兩種微粒子對中碳鋼進行噴丸強化處理，研究發(fā)現(xiàn)，與噴丸前砂輪研磨試樣的表面粗糙度(6.332 μm)相比，鋼丸、陶瓷丸兩種微粒子噴丸后試樣表面的粗糙度分別為5.502和4.879 μm，比傳統(tǒng)噴丸處理后的粗糙度明顯偏小，對兩種微粒子噴丸試件和未噴丸試件進行疲勞試驗，得出鋼丸和陶瓷丸微粒子噴丸試樣的疲勞極限分別提高到350和320 MPa.文獻［3］對Cr-Mo鋼分別采用微粒子和傳統(tǒng)兩種噴丸方式，針對材料表面產(chǎn)生殘余壓應力在疲勞過程中的松弛程度進行對比，結(jié)果表明，微粒子噴丸強化的試樣，殘余壓應力松弛程度低于傳統(tǒng)噴丸強化的試樣.

微粒子噴丸處理在抗疲勞性能、耐磨性和降低摩擦等方面帶來的效果非常顯著［4］，并可廣泛用于汽車零部件及各種切削工具和模具的加工，明顯延長它們的使用壽命.

2 激光噴丸

激光噴丸(LSP)，或激光沖擊，是利用高功率密度(GW/cm2)、短脈沖(ns)激光束照射金屬時產(chǎn)生高強度沖擊波，作用在材料表面并形成數(shù)百個兆帕的殘余壓應力，從而改善材料的性能，目前已被廣泛應用于材料表面改性的研究中［5］，激光噴丸原理如圖1所示.

圖1 激光噴丸原理圖

與傳統(tǒng)機械噴丸相比，激光沖擊強化技術具有顯著的特點，具體包括:1)沖擊壓力高，使得金屬工件形成高的殘余應力影響層，是普通噴丸的5～10倍［6］;2)可精確定位，能夠加工傳統(tǒng)工藝不能處理的部位，尤其適合對小孔、倒角和溝槽等部位進行強化;3)成形后的工件表面質(zhì)量高;4)無熱應力損傷.

目前，國外已實現(xiàn)激光沖擊強化的工程應用，利用激光對渦輪風扇葉片、B-1轟炸機F101機的葉片、F-16戰(zhàn)斗機的葉片以及波音777民用飛機的葉片進行沖擊強化處理，研究表明，葉片的維修成本大大降低，取得了顯著的強化效果和工程價值.而國內(nèi)的研究主要以材料試驗為主，江蘇大學周建忠等［7］對含初始裂紋的6061-T6鋁合金CT疲勞試樣進行激光噴丸強化處理，得出激光噴丸強化誘導的殘余壓應力場使外加拉應力或裂紋尖端應力強度因子降低，有效減緩了裂紋擴展速率，疲勞壽命提高了64.4%.魯金忠等［8］對 Ti6A14V鈦合金電子束焊縫激光沖擊強化處理，焊縫區(qū)域的殘余應力從91 MPa(拉應力)轉(zhuǎn)變?yōu)?230 MPa(壓應力)，由于殘余壓應力的存在，引起裂紋的閉合效應，因此，延長了焊接件的疲勞壽命.

激光噴丸技術能夠提高工業(yè)中常用鋼及合金鋼，包括粉末金屬復合材料，鑄鐵、鎳基高溫合金，鈦及鈦合金材料的疲勞壽命、耐磨性、耐腐蝕性，因此，在航空航天、汽車工業(yè)等領域具有巨大的應用前景，相關學者對激光噴丸進行了長時間研究，但大多數(shù)還仍處于實驗性研究，要使激光噴丸強化技術作為一種成熟的工藝在實際工程中得到廣泛應用，目前還需要解決如下問題.

1)發(fā)展高性能激光沖擊裝置的研發(fā)，包括裝置的小型化、高重復頻率以及輸出脈沖能量的穩(wěn)定性.

2)需要研究適用于工程應用的集涂層與約束層于一體的柔性貼膜.目前國內(nèi)涂層通常采用特種黑漆，在噴涂后需要等待其固化，加之黑漆涂層易破壞，無法多次沖擊，生產(chǎn)效率低下.

3)完善強化工藝參數(shù).采用試驗方法和有限元技術完善工藝參數(shù)庫，針對不同材料采取不同的激光能量、涂層厚度等參數(shù)使強化效果達到最佳.

3 超聲/高能噴丸

圖2為超聲噴丸/高能噴丸結(jié)構(gòu)示意圖，工作原理為［9］:工作時，整個設備的容器作上下振動，彈丸朝各個方向以不同的速度沖擊試樣的表面.彈丸的每次沖擊都使試樣與彈丸相接觸的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生一定量的塑性變形，強化一段時間后，試樣的表面將產(chǎn)生不同程度的塑性變形，從而獲取了一定深度的納米層.當設備的振動頻率為30 kHz，彈丸的粒徑較小(如0.1～1.8 mm)，彈丸沖擊時的速度為120 m/s時稱為超聲噴丸(USSP)，降低工作時設備振動頻率，采用2 kHz的中頻或30 Hz的低頻甚至更低的頻率時，可選用較大粒徑的彈丸(如10 mm)稱為高能噴丸(HESP).

圖2 超聲/高能噴丸原理圖

與普通噴丸相比，超聲/高能噴丸強化能夠獲得更大的殘余壓應力和硬化層深度，且可顯著提高疲勞強度.超聲/高能噴丸強化過程中涉及到的參數(shù)少、受控因素少且可精確控制，適當調(diào)整參數(shù)，噴丸后材料表面易實現(xiàn)納米化，目前已在銅、不銹鋼、純鈦、鐵和低碳鋼等表面制備納米尺寸晶粒.

目前利用超聲噴丸/高能噴丸強化技術的研究主要集中在兩個方面:一是對超聲/高能噴丸實現(xiàn)材料表面納米化機理的研究.韓靖等［10］對0Cr18Ni9Ti不銹鋼棒材端面采用高能噴丸，成功制備出納米結(jié)構(gòu)的表面層，并得出晶粒細化機理，文獻［11］指出，對于不同結(jié)構(gòu)的材料，表面納米化行為存在差異，對于bcc結(jié)構(gòu)的工業(yè)純鐵和低碳鋼等材料的納米化主要取決于位錯的發(fā)展，而fcc結(jié)構(gòu)的316不銹鋼等材料的納米化除與位錯相關外，還與孿生和層錯密切相關.另一方面是對超聲/高能噴丸處理后的試樣表面性能的研究.張新華等［12］采用普通噴丸與超聲噴丸對7075-T651鋁合金進行處理，分析得出超聲噴丸引入的最大殘余壓應力較普通噴丸增大31.9%，超聲噴丸處理后的表面硬化程度略高，材料表面粗糙度也僅為普通噴丸試件的35.5% ，李東等［13］采用高能噴丸技術對SS400鋼焊接接頭的表面進行處理，成功地在焊接處的表層制備出組織均勻的納米層，實現(xiàn)了焊接接頭表層組織均一納米化，解決了焊接接頭表面層組織與性能的不均勻性，同時焊接接頭母材、HAZ、焊縫的3個區(qū)域表層顯微硬度遠高于高能噴丸前，實現(xiàn)了焊接接頭表層硬度的均一化，且提高了焊接接頭的疲勞強度.

金屬材料表面納米化可以使其表面的機械性能和化學性能得到不同程度的改善.1)力學性能:材料表面硬度、強度、疲勞性能得到顯著提高.2)擴散性能.超聲高能噴丸通過塑性變形在金屬表層形成的納米晶，晶體中缺陷可作為原子的快速擴散通道.卑多慧、呂堅等［14］對低碳鋼試樣進行表面超聲噴丸納米化處理，得出超聲噴丸納米化預處理可以明顯提高滲氮速度，降低滲氮溫度.3)穩(wěn)定性能和熱腐蝕性能.胡蘭青等［15］通過高能噴丸獲得納米晶粒具有一定的熱穩(wěn)定性.

4 高壓水射流

20世紀 80 年代末，ZAFRED［16］首次提出了利用高壓水射流對金屬表面噴丸強化的思想，從而開始了高壓水射流噴丸強化技術的研究.高壓水射流噴丸技術和傳統(tǒng)噴丸技術具有相似之處.高壓水射流噴丸強化的基本原理是噴嘴垂直于材料表面，并在表面平行移動，將攜帶高能量的高壓水以某種特定的方式高速噴射到金屬材料表面上，在材料表層產(chǎn)生具有一定厚度的強化層，使其強化層擁有理想的組織結(jié)構(gòu)和應力分布，它的實質(zhì)是冷作硬化.

圖3 高壓水射流噴丸對材料的強化

高壓純水射流噴丸技術［17］是水射流噴丸中出現(xiàn)最早的，取得實驗性研究結(jié)果也是最多的.目前，國內(nèi)外的高壓脈沖水射流強化技術主要是通過利用電液壓效應產(chǎn)生的電液壓脈沖水射流來強化零件.國內(nèi)裴江紅等［18］利用電液壓脈沖水氣射流CrWMn鋼制造的沖頭(利用摩托車的鏈輪)進行對比試驗，得出電液壓脈沖水氣射流強化CrWMn零件的良好效果.空化水射流的技術研究主要集中在國外，SOYAMA等［19］利用空化水射流噴丸技術對不銹鋼和鋁合金進行試驗，得出噴丸試樣表面疲勞強度比未噴丸提高了20%～50%.AROLA［20-21］等采用后混合水射流分別對不銹鋼、鈦合金和純鈦進行噴丸強化，得到了表面殘余壓應力隨噴丸參數(shù)的變化規(guī)律，在最佳噴丸條件下可使Ti6A14V鈦合金的疲勞強度提高25%.董星等［22］采用前混合水射流分別對2A11鋁合金和45鋼進行噴丸試驗，研究發(fā)現(xiàn)，噴丸強化后在材料表層引入一定的殘余壓應力，使外部施加的應力與表層壓應力合成的“有效拉應力”降低，由于合成的“最大有效拉應力”可能不在材料表面而在近表層，裂紋在材料內(nèi)部萌生需要更長的萌生周期，因此，對于噴丸強化后的2A11鋁合金，是未噴丸疲勞壽命的25.31倍，對于45鋼，是未噴丸疲勞壽命的18.56倍.

雖然高壓水射流噴丸的質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，但高壓水射流噴丸強化技術的研究還處于初級階段，尚有許多問題亟待解決:1)在國內(nèi)，其強化機理及理論的研究還相對較薄弱;2)針對不同材料，其優(yōu)化的強化工藝參數(shù)還遠遠不夠;3)目前存在并使用的水射流噴丸強化設備還存在較多的問題，需要研發(fā)更智能新型的水射流強化設備.

5 復合噴丸

目前的噴丸處理主要采用單一噴丸強化，而復合噴丸是指一個零件先后受2～3種以上的彈丸噴射或采用2～3種不同的噴丸強化方法進行噴丸強化，目前對高能-傳統(tǒng)，激光-機械復合噴丸已有研究.

表面劇烈塑性變形是一種實現(xiàn)材料表面納米化的重要方法［23］，這種方法已經(jīng)被應用于提高金屬材料的疲勞性能.有研究表明［24］，高能噴丸使純鈦表層形成納米晶組織，可有效地提高工業(yè)純鈦的疲勞強度，但高能噴丸后也會導致純鈦表面變的粗糙，產(chǎn)生損傷等缺陷，這些因素引起的應力集中會弱化高能噴丸對純鈦疲勞強度的提高.考慮到大粒徑的彈丸容易增大表面粗糙度和造成表面損傷，研究者提出了復合高能噴丸強化的方法，即先采用大粒徑彈丸進行高能噴丸使純鈦表面產(chǎn)生一定深度的納米層和殘余應力層;再用小粒徑彈丸進行普通噴丸，以降低表面粗糙度和修復損傷的表面，進一步提高納米層的質(zhì)量.

激光噴丸形成的應力波似平面波，平面波造成的應力影響層較深，機械噴丸所形成的應力波為球面波，球面波能產(chǎn)生較大殘余壓應力.采用激光-機械復合噴丸工藝的方式能夠獲得較大的殘余壓應力和較深的殘余壓應力.文獻［25］研究了兩種噴丸工藝的復合噴丸強化工藝對殘余應力場的影響，得出采用激光-機械復合噴丸強化工藝時，獲得了較深的應力影響層和較高的殘余壓應力，應力影響層深度是機械噴丸工藝的3倍，最大殘余壓應力可達到屈服強度的1.2倍.

6 各種噴丸技術的比較

1)微粒子噴丸較傳統(tǒng)噴丸表面粗糙度得到很大改善，但其表面硬化程度較低，殘余應力層深度相對較淺，且不能實現(xiàn)材料表面的納米化.

2)激光噴丸各方面性能都比較好，但其投資金額偏高，目前既能達到工業(yè)需求(高激光能量、高重復頻率)又能滿足經(jīng)濟承受能力的激光器還較少.

3)超聲/高能噴丸都能實現(xiàn)材料的表面納米化、降低滲碳滲氮溫度，可以將滲碳、滲氮與噴丸復合起來實現(xiàn)復合表面強化技術.但高能噴丸會導致材料表面粗糙度提高，因此，超聲噴丸是個不錯的選擇.

4)目前對高壓水射流噴丸研究比較淺，總體性能優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，噴丸后材料應力集中小，且綠色環(huán)保，隨著研究的進一步深入，水射流噴丸技術有望獲得較好的應用前景.

5)復合噴丸綜合性能好，綜合了各種噴丸的優(yōu)點，如高能-微粒復合噴丸，既實現(xiàn)了材料表面納米化又降低了表面的粗糙，激光-機械復合噴丸避免了激光噴丸的高成本，復合噴丸也是不錯的選擇，應大力發(fā)展復合噴丸方面的研究工作.

表2 各種噴丸強化技術的比較

7 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對機械產(chǎn)品表面的性能要求越來越高，改善材料表面性能，可以有效地提高零件的使用壽命，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染.伴隨著微粒子噴丸、激光噴丸、超聲/高能噴丸、高壓水射流噴丸等先進噴丸技術的出現(xiàn)，將大大擴展噴丸技術的應用領域和范圍，不再局限于機械行業(yè)，在生物材料處理、醫(yī)學抗菌、光催化等領域也顯示出良好的應用前景.但要讓各種先進噴丸技術作為一種成熟工藝在實際工程得到廣泛應用，還應重點開展如下幾方面的研究工作.

1)加強噴丸強化過程的系統(tǒng)理論研究.目前噴丸強化處理主要以經(jīng)驗方法為主，應加強對單一噴丸和復合噴丸的強化機理、最優(yōu)工藝參數(shù)、強化效果的量化研究，特別是殘余壓應力場的穩(wěn)定性和松弛規(guī)律的研究.

2)復合應用兩種或多種表面技術，可以起到“1+1＞2”的協(xié)同效果［26］.發(fā)展噴丸與其他表面工程技術的復合表面工程技術，目前已開發(fā)的有熱噴涂與噴丸強化，表面滲碳、滲氮與噴丸強化復合表面工程技術，都取得了很好的效果.

3)加強噴丸設備的研制，實現(xiàn)噴丸全過程的自動化.目前還很難把握彈丸流與金屬靶材的作用過程，急需一種能夠在線觀測和控制強化過程的設備.

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