喷丸综述

喷丸综述

铝合金做为一种在工业中广泛使用的金属材料，以其优良的力学强度和相对较低的密度，在航空工业中也有广泛的应用。

在使用过程中，随着使用时间的延长材料的性能总会发生变化，从而影响其使用寿命。最主要的的失效形式为材料的断裂，引起材料发生断裂的原因主要是在使用过程中受到载荷的循环作用，使其抗疲劳性能降低，从而在高的循环载荷作用下使材料发生断裂。

材料处理不当或者材料表面完整性不好，表面凸凹不平，都会导致材料在使用过程中容易发生失效。

表面完整性是指表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面显微组织结构等内在表面状态的完好程度。金属材料表面改性的主要目的是通过改善表面完整性来提高材料抗疲劳、抗应力腐蚀以及磨损的能力。当前提高材料表面完整性的方法主要有物理方法、化学方法、机械方法等。物理方法主要是采用表面淬火的方式，化学方法主要是采用渗碳或者渗氮的方式，机械方法主要有挤压、滚压、抛光、喷丸、干涉配合等方式。

与其他表面强化技术相比，喷丸表面强化技术具有强化效果显著、适用面广、耗能低、实施方便等优点，目前在航空航天、国防工业、汽车、船舶、石油化工和农业部门等重要领域得到了广泛应用。

喷丸表面强化技术就是大量高速弹丸（多为球体）重复撞击工

件表面，并在其表层受弹丸撞击及附近区域形成弹塑性变形区，如图

1所示。研究认为，表面强化层的存在不仅提高了结构件表面的硬度和耐磨性，更重要的是在结构件表层形成了残余压应力层，该残余压应力层可有效降低结构件服役过程中的有效工作应力（如图2所示），使得裂纹源萌生于结构件次表面，并减缓裂纹扩展速率，从而显著地提高结构件的抗疲劳性能。

图1 喷丸表面强化技术

图2 喷丸强化后结构件有效的有效应力分布

在经过喷丸强化以后，在结构件表面存在的应力分布有如图3所示的分布特征，表面及次表面的残余应力为压应力，随结构件深度的增加，残余应力由压应力转变为拉应力。整个残余应力场包括以下四个特征参量：表面残余应力、最大残余压应力、最大残余压应力层深度和残余压应力层总深度。

图3 喷丸残余应力场分布特征

相比较传统的喷丸技术目前采用的新型喷丸技术有：预应力喷丸成形技术、数字化喷丸成形技术、激光喷丸成形技术、双面喷丸成形技术、超声喷丸成形技术、高压水喷丸成形技术等。采用新型喷丸技术可以解决采用传统喷丸技术遇到的表面粗糙度大、喷丸强化层厚度不足等问题。

一、几种常见的喷丸强化工艺

激光喷丸

激光喷丸强化在材料表层诱导了高幅残余压应力，可有效降低金属构件承受交变载荷作用的拉应力水平，减小疲劳裂纹扩展的驱动力，从而有效降低疲劳裂纹萌生和扩展速率，实现疲劳寿命增益。

国内外的研究均表明,激光喷丸强化对各种招合金、镍基合金、

不锈钢、钛合金、铸铁以及粉水冶金等均有良好的强化效果，除了在航空工业具有极好的应用前景外,在汽车制造、医疗卫生、海洋运输

和核工业等都有潜在的应用价值。激光喷丸工艺能够大幅度提高金属结构件的疲劳寿命，许多学者致力于研究不同激光工艺参数对金属材料疲劳性能的影响。已有文献表明，不同激光喷丸工艺参数将诱导各异的残余压应力分布，通过合理选择工艺参数可获得所需的应力分布状态，从而实现预期的疲劳增益效果。

Rubio-Gonzalez等人实验研究了不同激光功率密度，6061-T6铝合金试样激光喷丸强化后的疲劳裂纹扩展特性。结果表明，与未处理试样相比，激光喷丸强化可提升试样的疲劳裂纹扩展抗力。激光喷丸后,

试样表层显微硬度值增加,表层残余压应力大小及其影响层深度、断裂籾性随着激光功率密度的增加而增大，疲劳裂纹扩展速率随激光功率密度的增加而减小，当应力强度因子幅度超过20 MPa.m1/2时，激光喷丸强化对疲劳裂纹扩展速率的减缓效应较为明显。

美国休斯顿NASA研究中心的Hatamleh等人用脉冲激光喷丸7075-T7351铝合金振动摩擦挥接件，对比激光喷丸和机械喷丸对7075-T7351铝合金疲劳裂纹扩展方式的不同影响，结果表明机械喷丸使疲劳寿命提高123%,而激光喷丸大幅度降低了裂纹扩展速率，疲劳寿命增加了217%。

Ding等人研究了试样几何尺寸对激光喷丸强化效果的影响，当板材厚度不同时采用相同的工艺进行喷丸发现。当板材厚度增加时材料表面的残余压应力增加，但是残余应力的影响深度并没有显著增加。

Ivetid等人对试样含有预制小孔的材料进行研究发现，进行激光喷丸后，材料表面以及内层残余应力的分布与其它喷丸方式没有什么太大的区别。只是在小孔出现的时间方面有些区别，当先喷丸再钻孔的话试样的疲劳强度提高了近3倍，而先钻孔再喷丸试样的疲劳强度降低了近2倍。该研究表明，相比于激光喷丸改性相比，激光喷丸技术更适合于加工源头制造领域。

Cudlar等人采用了四种不同的激光喷丸路径对小孔试样进行了

处理，结果表明，激光喷丸路径对于试样的疲劳性能有较大的影响，因此需要根据实际情况设计合理的喷丸路径，若喷丸路径选取不当，激光喷丸会对材料的疲劳性能产生不利的影响，如仅对高应力集中附

近区域进行激光喷丸，则疲劳性能改善并不明显，而对开口小孔沿圆周方向进行环状喷丸，则可获得较为明显的疲劳寿命增益。

同时对于断裂来说，一些研究发现在观察端口形貌时发现，经过喷丸处理后的材料其疲劳条带间距减小，表明经过喷丸处理后疲劳裂纹扩展速率降低。

由于影响激光喷丸的因素很多，目前研究的主要方面集中在激光频率、温度以及激光喷丸的工艺等方面。

目前采用单一的实验方法选择工艺参数相对来说比较困难，目前多数的实验过程中都会采用数值模拟技术，模拟喷完过程中应力场的变化，随后在疲劳分析软件模块中进一步进行疲劳裂纹扩展性能、疲劳寿命设计分析。与传统基于实验的产品设计方法相比，有限元模拟仿真不仅可以计算相关结构件表面的应力、应变以及疲劳寿命分布云图，而且可以在设计阶段判断出结构件的最大应力区域和疲劳寿命薄弱位置，进而通过避免不合理的应力分布获得相对理想的疲劳寿命。

从总体上来看，相比较传统的机械喷丸来说采用激光喷丸可以大幅度提高材料抗疲劳能力，具体原因表现在采用激光喷丸，激光束并没有直接作用在材料表面，因此对表面粗糙度的影响不大，降低了应力在表面尖锐部分形成应力集中，使材料表面的残余压应力可以更好的抵消材料所受到的拉应力，从而可以大幅提高材料的抗疲劳性能。

虽然激光喷丸强化延长裂纹结构件的疲劳寿命技术得到了国内

外学者的高度关注，但现阶段主要集中于试验阶段方面研究，对共性的机理方面的研究相对匮乏。有关激光喷丸诱导残余应力场下裂纹扩