旋片噴丸對7B04-T6鋁合金應(yīng)力腐蝕抗性的影響

賀 旺,王燕禮,王亞南,劉金生,譚志國,高 建

（1．國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖241000；2．中國人民解放軍32256部隊，昆明650021；3．中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095）

7B04鋁合金是一種飛機結(jié)構(gòu)常用高強鋁合金，它是在7A04基礎(chǔ)上通過進一步純化鐵和硅雜質(zhì)而來，具有很好的靜態(tài)強度、疲勞強度、斷裂韌度等力學(xué)性能。7B04合金常用熱處理制度有三種∶T6、T74和T73。研究表明，7B04在T6狀態(tài)下應(yīng)力腐蝕敏感性最強，T74狀態(tài)下較弱，T73狀態(tài)下基本沒有應(yīng)力腐蝕傾向[1]。某型飛機的一些典型結(jié)構(gòu)是用T6狀態(tài)7B04制造，最近，在維修中發(fā)現(xiàn)該型飛機這些典型結(jié)構(gòu)發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂（stress corrosion cracking，SCC），嚴重影響了飛機結(jié)構(gòu)完整性。因為該結(jié)構(gòu)無法在維修中更換，故考慮采用可現(xiàn)場實施的技術(shù)進行一些未開裂同類結(jié)構(gòu)的預(yù)防性修理，以提高未開裂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕抗性。

眾所周知，SCC需要三個條件∶（1）敏感的腐蝕材料；（2）足夠大的拉伸應(yīng)力；（3）特定的腐蝕環(huán)境。破壞其中任意一個條件，就可阻止SCC發(fā)生。噴丸是一種廣泛應(yīng)用的表面強化技術(shù)，能在材料表層引入殘余壓縮應(yīng)力，從而降低或抵消拉伸應(yīng)力，改善材料SCC抗性。關(guān)于噴丸改善金屬材料疲勞強度的文獻有很多，而用于改善金屬材料SCC抗性的文獻相對較少。在20世紀60～70年代，ALCOA公司[2]就發(fā)現(xiàn)，在不是很惡劣的腐蝕環(huán)境中，噴丸處理有很強的延緩或防止2014-T651和7079-T651鋁合金SCC破壞的效果；諾斯羅普公司[3]為解決鋁合金航空結(jié)構(gòu)鍛件SCC問題，曾選擇對全部7079-T6和7075-T6鋁合金結(jié)構(gòu)，包括翼梁、起落架作動筒、隔框、接頭等進行噴丸處理；澳大利亞航空研究試驗室[4]研究了噴丸對5054擠壓鋁合金件SCC抗性的影響。道格拉斯公司[5]采用鑄鋼丸處理馬氏體狀態(tài)9Ni4Co0.45C鋼，并將試件交替浸泡在人造海水中，加載80%屈服強度，結(jié)果噴丸提高SCC持久時間20倍以上。21世紀以來，也有一些噴丸提高SCC抗性的報道，例如，Alobaid[6]采用鑄鋼丸機械噴丸處理2205不銹鋼表面，在沸騰MgCl2溶液中進行SCC實驗，結(jié)果顯示，噴丸處理延緩SCC時間15倍以上；倪紅芳等[7]采用玻璃丸機械噴丸處理304不銹鋼焊縫，提高SCC抗性效益高達近600倍；此外，噴丸處理對304不銹鋼母材[8-10]和焊縫[11]、316L不銹鋼[12]、奧氏體不銹鋼[13]、1Cr18Ni9Ti不銹鋼[14]、汽輪機末級葉片材料[15]、2024鋁合金[16-18]、A7N01鋁合金[19]等材料SCC敏感性的影響也都有報道。以上研究均表明，恰當?shù)膰娡杼幚砜捎行Ц纳撇牧蟂CC抗性。遺憾的是，鮮有關(guān)于噴丸處理對7B04-T6鋁合金SCC抗性影響的報道。

采用噴丸技術(shù)改善鋁合金SCC抗性時，有兩個不利因素必須考慮。一是表面粗糙度。噴丸一般會造成表面粗糙度增加，這會增大鋁合金與腐蝕介質(zhì)接觸實際面積，從而使均勻腐蝕速率增加，對改善SCC抗性不利；增大噴丸強度，雖然會增大噴丸后晶粒細化程度、殘余壓應(yīng)力深度和數(shù)值，但也會顯著增大被處理表面粗糙度。二是表層可能損傷。噴丸強度越大引起表面損傷性破壞（如開裂和疊層等）也會越嚴重，在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下時，容易從損傷處發(fā)生局部腐蝕或萌生裂紋。由此可見，合適的噴丸工藝才能改善鋁合金SCC抗性。通常認為，處理鋁鍛件應(yīng)選擇大彈丸和最大噴丸強度，選擇彈丸尺寸的同時應(yīng)考慮表面粗糙度，噴丸時間應(yīng)滿足阿爾門試片100%覆蓋率。

考慮到飛機機體典型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場強化處理的實際工程需求，本工作采用旋片噴丸技術(shù)進行兩種不同噴丸強度的7B04-T6鋁合金試樣表面處理，測定分析噴丸前后試樣表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表面形貌的變化；通過恒載荷SCC實驗，評價噴丸處理對其SCC抗性的影響；通過拉伸實驗，評價噴丸處理對材料靜態(tài)強度和斷面收縮率的影響；用掃描電子進行腐蝕斷口觀察與分析。

1 實驗材料與方法

材料為東北輕合金公司生產(chǎn)的50mm厚7B04-T651鋁合金板，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為0.05Si、 0.14Fe、 1.55Cu、 0.29Mn、 2.55Mg、 0.13Cr、6.10Zn、余量Al。根據(jù) HB5254—1983 設(shè)計加工恒載荷SCC試樣9件，去除表面包鋁層，編號為T01～T09，見圖 1（a）和（b）所示。將 SCC 試樣分成三組∶（1）原始加工試樣 T01～T03；（2）噴丸工藝1處理試樣T04～T06；（3）噴丸工藝2處理試樣T07～T09。根據(jù)MH/T3017—2008和HB/Z26—2011，采用旋片噴丸設(shè)備處理T04～T09試樣工作段四個表面，其中噴丸工藝1的噴丸強度為0.1～0.2A，噴丸工藝2工藝的噴丸強度為0.2～0.3A，旋片轉(zhuǎn)速均為2000r/min，覆蓋率均大于100%，噴丸處理過程見圖1（c）所示。根據(jù) GBT7704—2008，采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀測定三類試樣沿加載方向的表面殘余應(yīng)力，在每個試樣工作段區(qū)域內(nèi)隨機測定3個點然后取平均值。使用TR200表面粗糙度測試儀測定三類試樣的表面粗糙度Ra，在每個試樣表面測定3個值然后取平均值。使用VHX-100型體式顯微鏡觀察三類試樣的表面形貌。使用WDML-1型恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗機開展SCC測試，溫度（35±1）℃，腐蝕溶液是 3%NaCl+0.5%H2O2，施加載荷 350MPa。根據(jù) GB/T228.1—2010，設(shè)計加工靜強度拉伸試樣9件，編號為JZ01～JZ09，如圖 1（d）所示，使用 CMT5204拉伸試驗機開展靜載荷拉伸測試，其中，JZ04～JZ06和JZ07～JZ09分別采用噴丸工藝1和工藝2進行處理。SCC試樣和靜強度拉伸試樣均要求在供貨態(tài)軋制板材T-L面內(nèi)沿T方向取樣。

圖1 試樣設(shè)計與加工及噴丸處理過程 （a）SCC 試樣圖紙；（b）SCC 試樣；（c）旋片噴丸處理；（d）拉伸試樣圖紙Fig.1 Sample design，manufacturing and shot peening process （a）SCC sample drawing；（b）SCC sample；（c）flap peening processing；（d）tensile sample drawing

2 結(jié)果與討論

2.1 表面殘余應(yīng)力

圖2為試樣殘余應(yīng)力測定值。由圖2看出，原始加工試樣表面存在約?50MPa殘余應(yīng)力，噴丸工藝1在試樣表面引入約?350MPa殘余應(yīng)力，噴丸工藝2引入約?275MPa殘余應(yīng)力。這表明，噴丸增大了試樣表面殘余壓應(yīng)力，且工藝1增幅高于工藝2約75MPa，這是噴丸工藝的典型特征，隨著噴丸強度增大，噴丸處理表面呈現(xiàn)的殘余壓應(yīng)力值會減小。殘余應(yīng)力對SCC過程有較大影響，表面存在殘余壓應(yīng)力的試樣SCC壽命會明顯高于存在殘余拉應(yīng)力的試樣[20]。故僅從殘余應(yīng)力角度判斷，應(yīng)該是噴丸工藝1處理試樣抗SCC性能最佳，噴丸工藝2處理試樣次之，原始加工試樣第三。

圖2 表面殘余應(yīng)力Fig.2 Surface residual stress

2.2 表面粗糙度

圖3 為試樣表面粗糙度測定值。由圖3可以看出，原始加工試樣表面粗糙度Ra約為0.9μm，噴丸工藝1處理試樣約為1.6μm，噴丸工藝2處理試樣約為1.8μm。這表明，噴丸增大了試樣表面粗糙度，且工藝1表面粗糙度低于工藝2，該現(xiàn)象符合噴丸工藝特征，即噴丸強度增大，表面粗糙度會增大。粗糙度大會增大材料表面與腐蝕溶液的實際接觸總面積，從而進一步增大材料SCC概率。故僅從表面粗糙度角度來講，應(yīng)該是原始加工試樣抗SCC性能最佳，噴丸工藝1處理試樣次之，噴丸工藝2處理試樣最差。

圖3 表面粗糙度Fig.3 Surface roughness

影響SCC的各種因素相互之間存在競爭機制，故這里不能簡單斷定三種工藝加工試樣的抗SCC性能孰優(yōu)孰劣。如2.1所述，噴丸在表面引入了有益殘余壓應(yīng)力，但是，從表面完整性角度來講，噴丸強度越大引起表面損傷性破壞（如開裂和疊層等）可能性也越大，在受到應(yīng)力腐蝕時，容易從損傷處發(fā)生局部腐蝕或萌生裂紋。還需要說明的是，表面粗糙度增大，有助于提高漆層與基體的結(jié)合力，這對于裝備后期涂裝有利。

2.3 表面形貌

圖4為試樣表面形貌。由圖4可以看出，原始加工試樣表面雖然光滑，但加工遺留的方向性痕跡仍較明顯；噴丸試樣表面存在大量凹坑，表面粗糙度確實增大，但消除了方向性痕跡。研究表明，這種稍微粗糙但是均勻的噴丸表面在減少密封滲漏方面，要優(yōu)于非常光潔的研磨或磨削表面，這或許在使用過程中，對抑制一些不經(jīng)意的漆層劃傷或漆層剝離造成的腐蝕介質(zhì)進入是有作用的。另外，稍微粗糙的表面可以增加金屬表面與漆層之間的結(jié)合力。兩種噴丸工藝處理的試樣表面形貌相似，看不出明顯區(qū)別。

2.4 應(yīng)力腐蝕持續(xù)時間

圖4 表面形貌 （a）原始加工試樣；（b）噴丸工藝 1 處理試樣；（c）噴丸工藝 2 處理試樣Fig.4 Surface topography （a）original sample；（b）sample treated by shot peening process1；（c）sample treated by shot peening process2

圖5 應(yīng)力腐蝕持續(xù)時間Fig.5 SCC duration time

SCC實驗結(jié)果（圖5）顯示，原始加工試樣持久時間在 44～222h 之間（平均值 138h），噴丸工藝1處理試樣持久時間在1250h以上（平均值1555h，T04試樣1800h未斷裂），噴丸工藝2處理試樣持久時間在 1000h 以上（平均值 1204h），這表明，噴丸處理試樣性能優(yōu)于原始加工試樣，其中，噴丸工藝1和工藝2分別提高持久時間11.3倍和8.7倍。分析原因如下∶（1）噴丸在試樣表面引入了更大殘余壓應(yīng)力，有效抵消了外在拉應(yīng)力，降低了試樣表面實際拉應(yīng)力值，起到了延緩SCC裂紋萌生作用；同時，殘余壓應(yīng)力具有一定層深，在此深度范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力減小了SCC裂紋尖端有效應(yīng)力強度因子，導(dǎo)致SCC裂紋擴展速率降低。（2）噴丸處理使表層晶粒取向隨機，位錯密度增大，甚至細化晶粒，該變化也有助于延緩SCC裂紋萌生，降低SCC裂紋擴展速率。

同時，發(fā)現(xiàn)噴丸工藝1處理試樣的持久時間較工藝2處理試樣要更長。這可從兩個方面解釋∶（1）噴丸工藝1處理后，試樣表面殘余壓應(yīng)力更大；（2）噴丸工藝1處理后，試樣表面粗糙度相對較小。

2.5 應(yīng)力腐蝕斷口

按照 HB5257—1983，使用鉻酐溶液，去除斷口表面腐蝕產(chǎn)物。圖6是三類試樣典型斷口的SEM照片。由圖6看出，不同試樣斷口特征相似，SCC裂紋起始于試樣表面，在裂紋源處有部分晶粒被腐蝕；隨后，腐蝕向內(nèi)部延伸一定深度，更多的晶粒被腐蝕；腐蝕主要是沿晶界發(fā)生，斷口表現(xiàn)為沿晶斷裂。

2.6 靜強度和斷面收縮率

圖7為噴丸對強度極限的影響。由圖7看出，兩種噴丸工藝處理試樣的強度極限均為586.6MPa，較處理前 589.5MPa降低了 2.9MPa，可認為噴丸對材料強度極限沒有影響。圖8為噴丸對屈服強度的影響，由圖8看出，兩種噴丸工藝處理試樣測試的屈服強度均降低了約15MPa，但這種表觀測試結(jié)果并不能說明噴丸對材料的屈服強度產(chǎn)生影響，具體的影響規(guī)律有待進一步研究。圖9為噴丸對斷面收縮率的影響。由圖9看出，噴丸對材料斷面收縮率沒有明顯影響。

圖6 斷口的 SEM 照片 （a）原始加工試樣；（b）噴丸工藝 1 處理試樣；（c）噴丸工藝 2 處理試樣Fig.6 SEM pictures of fracture surface （a）original sample；（b）sample treated by shot peening process1；（c）sample treated by shot peening process1

圖7 噴丸對強度極限的影響Fig.7 Effect of shot peening on ultimate strength

圖8 噴丸對屈服強度的影響Fig.8 Effect of shot peening on yield strength

圖9 噴丸對斷面收縮率的影響Fig.9 Effect of shot peening on percentage reduction in area

3 結(jié)論

（1）0.1～0.2A 和 0.2～0.3A 兩種噴丸強度分別在 7B04-T6 鋁合金表面形成?350MPa 和?275MPa殘余壓應(yīng)力，表面粗糙度Ra從噴丸前的0.9μm分別增大至 1.6μm 和 1.8μm。

（2）噴丸可改善7B04-T6鋁合金抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，在 3%NaCl+0.5%H2O2溶液中、（35±1）℃、350MPa 恒載荷作用下，0.1～0.2A 和 0.2～0.3A兩種噴丸強度處理試樣的應(yīng)力腐蝕持續(xù)時間分別是未噴丸試樣的11.3倍和8.7倍，0.1～0.2A噴丸強度改善效果更佳。

（3）噴丸處理對材料強度極限和斷面收縮率沒有明顯影響。