復合噴丸強化對PH13 - 8Mo鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命的影響

華 程，姚 蘭，楊 屹，李 維，易吉豪

(1. 成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610092；2. 成都紡織高等?？茖W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度和改善其疲勞性能做了大量的研究工作[2-8]。抗疲勞強化技術(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，噴丸強化因具有成本低廉、效果顯著和壓應力場深的特點，同時零部件在噴丸強化過程中可以形成有效的殘余壓應力，對零部件表面進行形變強化不僅可以大大改善其疲勞性能，同時也可以顯著提高應力腐蝕開裂抗力，因此表面噴丸強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，采用復合噴丸強化，即先采用高強度鑄鋼噴丸再采用低強度陶瓷噴丸的二次噴丸的工藝，則能更進一步改善材料的表面完整性，植入更大的殘余壓應力，從而進一步地延長疲勞壽命。此前復合噴丸強化工藝在A - 100超高強度鋼上已獲得驗證[9，10]，復合噴丸強化已成為超高強度鋼噴丸強化的一個發(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，再加上高強度合金材料突出的弱點是疲勞強度對應力集中敏感[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)鑄鋼噴丸強化對PH13 - 8Mo不銹鋼疲勞壽命的影響，而PH13 - 8Mo復合噴丸強化工藝研究尚未見報道。復合噴丸強化在高強度不銹鋼上實施的抗疲勞響應效果如何值得研究，因此本工作針對PH13 - 8Mo常用的3種熱處理狀態(tài)H510、H540和H550，開展復合噴丸強化工藝研究，研究表面形貌、表面粗糙度和殘余應力場等對疲勞性能的影響，以滿足航空上對PH13 - 8Mo關(guān)鍵零件抗疲勞強化的迫切需求。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料為PH13 - 8Mo -φ70 mm固溶狀態(tài)鋼棒，其化學成分實測值見表1。鋼棒粗加工后進行最終熱處理(固溶處理+冷處理+時效處理)，其中固溶處理：925 ℃保溫1 h；冷處理：0 ℃保溫2 h；時效處理：H510、H540和H550分別對應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根縱向標準拉伸試棒，按GB/T 228.1-2010測試PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學性能(抗拉強度Rm、規(guī)定塑性延伸強度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鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學性能

1.2 試驗方案

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力場的測試，應力集中系數(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力集中系數(shù)下的疲勞增益響應。板型試樣和旋轉(zhuǎn)彎曲試樣按表3的要求進行噴丸后對比測試，每種噴丸狀態(tài)至少測試5根疲勞試樣。采用TRAALTECHNIE數(shù)控氣動式噴丸機噴丸，使用的彈丸為鑄鋼丸S230和陶瓷丸Z300，具體噴丸強化參數(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射線殘余應力分析儀進行殘余應力測試。在不同應力水平下，在PQ6 - 9旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機上按HB 5152-1996進行疲勞性能測試。

2 試驗結(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，因此補充H510的Kt=2狀態(tài)下的壽命增益相比，因為通常應力集中系數(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個數(shù)量級，經(jīng)復合噴丸后的試樣，在一次噴丸的基礎(chǔ)上疲勞壽命獲得進一步的延長，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，當應力集中系數(shù)為Kt=2時，H510狀態(tài)復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)。噴丸強化可改善材料表面形貌、表面粗糙度和表層殘余應力場。復合噴丸強化較一次噴丸強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，從力學角度分析，在外載作用下這些小缺口將會引發(fā)較大的應力集中。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，噴丸強化效果越顯著[19]，這也是H540和H550狀態(tài)的復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，材料的應力集中系數(shù)增加，強化增益效果隨之顯著增加，與一次噴丸強化相比，Kt=2復合噴丸強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，應力集中越嚴重，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)板型試樣殘余應力場分布。

由圖3可知，未噴丸試樣的殘余壓應力值小，深度約為100 μm。一次噴丸強化后，試樣近表層(0～200 μm)的殘余壓應力值大幅增加。增加復合噴丸后，又進一步增加了試樣近表層(0～250 μm)的殘余壓應力值。

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)彎曲疲勞應力呈梯度分布，即表面應力高，內(nèi)部應力低。未噴丸試樣表面由于存在加工痕跡的應力集中，疲勞裂紋首先在表面萌生，見圖4a。而經(jīng)一次噴丸或復合噴丸后，在近表層植入更深的殘余壓應力，從而有效降低試樣表面受到的有效循環(huán)拉應力，表面應力集中降低，如圖4b和4c所示，疲勞薄弱點由試樣表面轉(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個數(shù)量級。

3 結(jié) 論

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

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

(4)與一次噴丸相比，H540和H550狀態(tài)的復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。