超声波喷丸成形对7000系列铝合金零件表面完整性影响分析

超声波喷丸成形对7000系列铝合金零件
表面完整性影响分析
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摘要：本文以经过数控超声波喷丸成形的铝合金制件作为试样，试验目的在于确定超声波喷丸成形对制件表面完整性的影响情况，试验表明，超声波喷丸冲击振幅均与上述表面完整性表征参数成正比，冲击振幅增加，弹坑直径、弹坑深度、表面粗糙度以及残余应力均增大，最终确定了1.2mm和3mm两种撞针最优表面性能的冲击振幅分别是35%和80%。

关键词：铝合金制件；冲击振幅；表面完整性；
引言：受到制件表面完整性的影响，超声波喷丸成形技术在当前的生产实践中并未得到广泛应用。

表面完整性直接关系着制件的使用寿命，因此，想要推动超声波喷丸成形技术的大范围使用，就需要完成相应技术支持下制件表面完整性的全面分析，获取最优的表面完整性的喷丸工艺参数[1]。

1.表面完整性试验
1.1试验设备
本文试验采用tress voyager UNS B02-3型超声波喷丸机进行喷丸试验，采用DM2000型光学测量显微镜进行弹坑的直径，采用进口CV-1000数显轮廓仪进行弹坑深度的测量，采用TR101袖珍式表面粗糙度仪进行表面粗糙度测量，采用MVC-1000A1型显微硬度计进行显微硬度测量，采用荷兰帕那科公司产的多功能
X-射线衍射仪对超声波喷丸后的残余应力进行测量[2]。

1.2试验材料
试验件选择2种材料（7475-T7351和7050-T7451）的平板件。

长度为200毫米、宽度为50毫米、厚度为3毫米。

表1和表2分别为两种材料的化学成分和力学性能。

表1 两种铝合金的化学成分（wt/%）
牌号
硅
Si
铁
Fe
铜
Cu
锰
Mn
镁
Mg
铬
Cr
锌
Zn
钛
Ti
7475-T7351
≤0
.10
≤0
.12
1
.2-
1.9
≤0
.06
1
.9-
2.6
0.2
-0.25
5
.2-
6.2
≤0
.06
7050-T7451
≤0
.10
≤0
.15
2
.0-
2.6
≤0
.05
1
.8-
2.3
≤0
.04
7
.6-
8.4
≤0
.06
表2 两种铝合金的力学性能
牌号
抗拉
强度
b/
MPa
屈服
强度
s/
MPa
伸
长率%
δ/
%
疲
劳强度
-
1/MPa
硬
度
H
B
弹性模
量
E/GPa
泊
松比
µ
7475-T735153046515%
62.
1
1
60
71
0.
33
7050-T745152543614%71
1
58
71
0.
33
1.3试验方法
本文选择1.2mm和3mm的撞针进行比较，采用不同振幅进行超声波喷丸试验。

较大冲击振幅下的弹坑边界比较模糊，不易进行弹坑直径测量，同时，1.2mm撞
针和3mm撞针下的弹坑直径没有可比性，因此弹坑直径试件仅选用1.2mm撞针较
小的冲击振幅进行，弹坑深度、表面粗糙度、显微硬度和残余应力试件则尽可能
的选择较大的冲击振幅进行。

为了剔除不稳定数据，确保有效的试验数据，弹坑
直径和弹坑深度的试验结果在同一弹坑选择9个不同位置进行测量，对于表面粗
糙度和显微硬度，在试样平面内均匀而又随机选择8~10个位置进行测量。

利用Origin软件对试验测试数据进行分析处理。

分析超声波喷丸工艺参数与凹坑深度、凹坑直径、表面硬度、表面粗糙度、残余应力等之间的关系[3]。

2.结果分析
2.1弹坑直径和弹坑深度
图1所示，撞针直径为1.2mm，7475-T7351铝合金超声波喷丸后形成的弹坑
直径的范围为92.9μm-123.44μm，7050-T7451铝合金为97.28μm-118.16μm。

两种材料的弹坑直径均与振幅成正相关，较7050-T7451铝合金而言，7475-
T7351铝合金弹坑直径随冲击振幅增加的幅度较大，低振幅状态下7475-T7351铝
合金弹坑直径较小，随着冲击振幅的增加，其弹坑直径较7050-T7451铝合金大。

图1 1.2mm撞针下冲击振幅对弹坑直径的影响
图2所示，撞针直径为1.2mm，7475-T7351铝合金超声波喷丸后形成的弹坑
深度的范围为15.64μm-27.09μm，7050-T7451铝合金为20.30μm-28.87μm。

撞针直径为3mm，7475-T7351铝合金超声波喷丸后形成的弹坑深度的范围为
3.662μm-6.168μm，7050-T7451铝合金为3.953μm-7.214μm。

同种规格撞针直径下，两种材料的弹坑深度均与冲击振幅成正相关。

在相同的冲击振幅下，弹坑深度随撞针规格的增大而迅速减小，就7475-T7351铝合金而言，1.2mm最大值为27.09μm，而3mm最大值为6.186μm，增大近4倍，且7050-T7451铝合金喷丸后的弹坑深度比7475-T7351铝合金要大[4]。

图2 冲击振幅对弹坑深度的影响（左为1.2mm撞针，右为3mm撞针）
2.2表面粗糙度
图3所示，超声波喷丸后的表面粗糙度明显增大。

对比两种不同规格撞针喷丸后的表面粗糙度值可以发现，3mm撞针直径得到的粗糙度值较1.2mm撞针直径要小的多，就7475-T7351铝合金而言，冲击振幅为40%时，1.2mm撞针的表面粗糙度值为3.840,3mm撞针的表面粗糙度值仅为0.815。

在相同的冲击振幅下，7475-T7351铝合金喷丸后的表面粗糙度值均比7050-T7451铝合金的大。

而对于同种材料，同一撞针直径，表面粗糙度值随冲击振幅的增大，呈现出先增大而后再减小最后再增大的趋势。

这是由于冲击振幅较低时，撞针撞击板料表面的冲击力小，造成的弹坑深度较浅，且分布比较均匀，随着冲击振幅的逐渐增加，弹坑深度增大，故而粗糙度随之增大，当冲击振幅达到一定值时，冲击产生的弹坑的出现相互叠加使得板料表面没有出现明显的波峰和波谷，因此表面粗糙度值出现了略微减小。

但随着冲击这幅进一步的增加，撞针的冲击力越来越大，在板料表面形成的弹坑深度进一步变大，又造成表面粗糙度出现一定程度的增大[5]。

图示可判断出，7475-T7351和7050-T7451两种铝合金在1.2mm撞针直径下，冲击振幅为30%~35%时，表面粗糙度值减小。

而3mm撞针直径时，冲击振幅为60%~80%时，表面粗糙度减小。

图3 冲击振幅对表面粗糙度Ra的影响（左为1.2mm撞针，右为3mm撞针）
2.3表面显微硬度
图4所示，随着喷丸冲击振幅的增加，试件表面的显微硬度随之增加，近乎
呈线性变化，且无论撞针直径为1.2mm还是3mm，在相同冲击振幅条件下，7475-
T7351铝合金的表面显微硬度较7050-T7451铝合金要大。

超声波喷丸可在作用区内产生几百到近千微米的硬化层，在硬化层内，硬度
随深度的增加而减小。

超声波喷丸使得材料硬度提高，一般来说有3种机制：
材料表层发生塑性变形，形成大量的位错；在高频(20KHZ)冲击力下作用材料发
生相变使得材料硬度显著提高；孪晶的生成也可以大幅度提高材料的硬度[6]。

图4 冲击振幅对表面显微硬度的影响（左为1.2mm撞针，右为3mm撞针）
2.4残余应力
图5所示，撞针直径为1.2mm和3.0mm时，随冲击振幅增加两种材料的残余
应力特征量增大。

撞针直径为1.2mm时，7475-T7351铝合金的表面残余压应力值
由-169MPa增加到-205.19MPa，最大残余压应力值由-177.40MPa增加到-
275.24MPa，而最大残余压应力值深度以及残余压应力层深度略微增加。

7050-
T7451铝合金的表面残余压应力值由-165.25MPa增加到-213.80MPa，最大残余压
应力值由-189.14MPa增加到-332.45MPa。

较冲击振幅35%而言，冲击振幅为40%时，其残余应力的增量变化很小，这是由于随着冲击振幅的增大，超声波喷丸诱
导产生的残余压应力值基本达到饱和[7]。

撞针直径为3mm时，两种材料的表面残
余压应力值、最大残余压应力值以及残余压应力层深度均大幅增加，而最大残余
压应力值深度略微增加。

就同一种材料而言，相同冲击振幅下，3mm撞针直径较1.2mm撞针直径相比，表面残余压应力值和残余压应力值变化不大，但残余压应
力层深度大幅度增加，1.2mm撞针、40%冲击振幅，7475-T7351的残余压应力层
深度为0.7mm左右，而3mm撞针直径，相同冲击振幅下，该材料的残余压应力层
深度增加到了1.5mm左右。

对比两种材料，相同喷丸条件下，在7050-T7451材
料产生的表面残余压应力值以及最大残余压应力值略大于7475-T7351，但是残余
应力层深度比7475-T7351要小。

图5 冲击振幅对铝合金残余应力的影响（左为1.2mm撞针，右为3mm撞针）
3.结论：
1.超声波喷丸后两种材料的表面粗糙度及表面显微硬度均有一定的程度的提高。

2.在相同的喷丸条件下，7475-T7351铝合金比7050-T7451铝合金喷丸后的
表面粗糙度值更小，表面硬度值更大，但总体来说，二者的差异较小。

3.以不同参数喷丸后两种材料的表面残余压应力值、最大残余压应力值以及
残余压应力层深度均随着冲击振幅的增加而增大，且撞针直径的增加能够大幅度
提高残余压应力层深度。

4.对比两种材料，相同喷丸条件下，在7050-T7451材料产生的表面残余压
应力值以及最大残余压应力值略大于比7475-T7351材料，但残余应力层深度比7475-T7351要小。

5.1.2mm撞针直径，冲击振幅为35%，两种材料的残余应力场基本达到饱和，3mm撞针直径，7475-T7351铝合金在冲击振幅达到60%之后，残余应力参数的增
加幅度迅速减小，而7050-T7451铝合金在冲击振幅达到80%之后，表面残余压应
力和最大残余压应力的增加幅度很小，但残余应力层深度的增幅仍较大。

6.采用1.2mm撞针进行喷丸，两种材料均在冲击振幅为35%时具有较优的表
面性能，而采用3mm撞针直径则在冲击振幅为80%具有较优的表面性能。

参考文献：
[1]关艳英,王治业,鲁世红,等.基于正交试验的超声波喷丸成形工艺参数分
析及弧高值预测[J]宇航材料工艺,2018,48(02):7-12.
[2]王治业,鲁世红,周友良,等.超声波喷丸成形工艺参数优化及弧高值预测[J].材料科学与工艺,2018,26(01):75-80.
[3]周圳.薄壁板预应力超声波喷丸成形试验研究与数值分析[D].南京航空航
天大学,2017.
[4]王仁智, 汝继来. 喷丸强化的基本原理与调控正/切断裂模式的疲劳断裂
抗力机制图[J]. 中国表面工程. 2016, 29(4): 1-9.
[5]李金魁, 姚枚, 王仁智, 李向斌. 喷丸强化的综合效应理论[J]. 航空
学报. 1992, 13(11): 670-677.
[6] Sara Bagherifard , Mario Guagliano.Fatigue behavior of a low-alloy steel with nanostructured surface obtained by severe shot peening.Engineering Fracture Mechanics,2012(68):56~68.
[7] 王强. 金属零件的喷丸强化技术[J]. 金属加工(热加工). 2012, 7:
13-14.。