完整版喷丸综述.docx

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完整版喷丸综述

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20MPa.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展规律及其延寿机理的研究还鲜有报道，仍未形成系统的激光喷丸抗疲劳延寿的基本理论；同时，激光喷丸强化抗疲劳制造的关键技术，即强化效果的预测和控制方法也迫切需要进一步发展。

对于喷丸以后在循环应力作用下或者高温作用下应力松弛规律的研究还鲜有报道。

超声喷丸

超声波喷丸技术以千瓦以上功率和大于20kHz频率的超声波作为加工力的初始形式，通过变换能器将高频正弦波转换成纵向振动的机械能，再由变幅杆将4μm的小微振幅放大至20~80μm，使具有高能量密度的撞针或丸粒流持续撞击成形板材，在板材表面制造极大的撞击力。

该力远超材料本身的动态屈服极限，表层材料随即发生较强的塑性变形，其微观组织得到极大碎化，板材表层受冲击区域晶粒破碎，产生细晶（甚至达到纳米级别）及稳定均匀且密集的位错，生成硬化层，同时内部诱导生成高幅的残余压应力。

受冲击后的板材成形面浅层材料由于塑性变形产生相对移动，部分下压、部分向四周延展，残余压应力不断积累，板材逐步向成形面弯曲，渐渐达到预定曲率，实现板材成形。

由此可以看出超声喷丸不仅可以实现对材料表面处理还可以实现微细精密加工。

该过程可以通过改变超声波喷丸成形技术的不同参数来实现，如撞针直径、电流强度等。

超声波喷丸技术由一开始的单弹丸撞击试验、理论研究，到现在大型板材成形与数字化模拟，经历了从理论到实践，再到产业化应用的过程，成形工艺日趋完善。

而成形之后的抗疲劳破坏、抗腐蚀性能和表面性能研究方面成为研究不同材料成形的侧重点，从国内外高水平的研究论文中发现，其中表面性能研究是主要部分，它包括表面形貌、残余压应力、表面粗糙度和表面硬度等。

太原理工大学刘海英、轧钢等人用单个弹丸撞击试样来简化超声波喷丸过程，并对此过程用ANASYS/LS-DYNA软件进行有限元仿真，观察了残余应力的产生过程。

通过改变弹丸的材料和直径，分析残余应力在不同弹丸材料和直径下的分布情况，通过总结得出结论：

材料残余应力伴随弹丸规格尺寸的变大，表面值和深度均呈增加趋势，进一步的研究表明弹丸流密度增强，也会导致相同的结果。

温爱玲，通过直径较大的撞针处理纯钛材料的表面，使得表面产生纳米晶粒层用以提高抗疲劳破坏的能力，最后用直径相对很小的丸粒修平原先坑凹状态的表面。

结果表明：

疲劳强度得到极大提高，与比没有喷丸处理件提高了约52.3%，比单纯高能喷丸的试件的提高了13.6%。

产生这种现象的主要原因是在大直径撞针的作用下，材料的表面粗糙度较大而且会有显微裂纹存在，采用小直径撞针可以有效修复这些缺陷，从而使得材料表面更加光滑，有利于提高材料的表面完整性。

KatarínaMiková通过采用高能喷丸的方式与普通喷丸进行对比发现，采用高能喷丸可以获得更高的残余应力值，虽然在高能喷丸的情况下材料的表面质量不高，但是依旧比普通喷丸有更好的性能。

可以进行预测，采用更高的覆盖率和喷丸强度可能可以进一步提高材料的抗疲劳强度。

提高覆盖率即对相同的区域进行重复喷丸，在这个过程中对于凸起的部分进行再次喷丸可以使其变的平整，从而降低了表面粗糙度，提高表面质量。

二、表面质量影响因素

无论对于传统喷丸还是先进喷丸技术来说人们关注的重点是喷丸后的表面质量，材料的表面质量越好那么材料的性能就会越好。

目前关于表面完整性关注的主要是以下几个方面：

表面粗糙度、残余应力、显微组织结构、表层致密度和表层硬度等。

因为这些因素是影响材料抗疲劳和抗腐蚀的主要原因。

因此研究的重点也是通过研究喷丸后表面质量的好坏来观测其对性能的影响。

但是在一般情况下在同一参数下想要使所有的指标都合理基本上是不可能的，因为这些指标之间会有一种对应关系，从而起到一定的限制作用。

残余应力

对于残余应力来说，普遍认为残余压应力是提高工程材料抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能的重要强化机制，而且残余压应力值大小、压应力层深度对工件疲劳强度或寿命影响显著。

因此，如何实现残余应力分布特征的调控是该领域重要研究内容之一。

残余应力的大小和分布特征受到喷丸强化工艺类型、工艺参数及材料自身属性等诸多因素影响。

残余应力数值主要取决于受喷材料自身的屈服强度、晶体结构和加工硬化率。

喷丸强化工艺参数，如喷丸强度、喷丸时间、弹丸介质和弹丸流量的选取对残余应力值大小与分布的影响明显。

较高喷丸强度下，弹丸入射阶段具有更大动能，接触区受喷材料应力集中程度更大、变形层更深，所以最大残余压应力值提高、残余压应力层变深，但喷丸强度过大可能获得相反的效果，主要由于应力松弛和表面剥层等因素的影响。

喷丸时间作用主要局限于饱和时间内，最大残余应力值和应力层深度随喷丸时间延长而增加，达到饱和后数值基本稳定不变。

弹丸流量直接影响到弹丸动能和100％覆盖率时间，在一定喷丸气压下，弹丸流量大则喷丸饱和时间短，喷丸强度下降，进而影响残余压应力的大小及分布。

弹丸直径越大，对材料表面的冲击力越大，喷丸强化越容易产生更深的残余压应力层。

通常经过喷丸处理以后在材料表面引入的残余压应力的厚度只有几十至几百微米左右。

测定表面残余应力的时候一般采用的是逐层电解的方法，但是采用这种方法的话测得的是材料表面的平均应力，而且在电解完成以后又会形成新的应力。

因此采用逐层电解的方法一般在计算残余应力时会对其有一个修正，从而得到未剥除时各点的应力值。

即剥除前的应力

，其中

是校正量。

目前只能对无限长圆管和无限大平板来求得其校正公式，然后将其推广到相应的适用条件下使用，一帮为长径比较大的圆管、圆柱或者长宽比较大的平板。

目前也有采用模拟的方法，来进行残余应力的模拟。

常用的模拟模型有单弹丸模型、多弹丸模型，传统的模型一般都是采用矩阵的方式来模拟。

由于在喷丸过程中弹丸的运动并不是完全有规的运动，因此采用矩阵方式模拟喷丸过程不太符合在实际生产过程中弹丸的实际工作情况，进而有了采用弹丸随机分布的模型。

显微组织结构

喷丸强化变形层是提高工程材料抗疲劳性能的另一个主要强化机制。

在喷丸强化过程中，材料表层组织发生塑性变形，其显微组织结构中的晶粒尺寸、物相结构、位错密度和晶面取向等发生变化，构成变形组织强化层。

变形层组织在沿喷丸方向上程梯度变化。

图4喷丸处理的组织强化

从微观机理上来说材料在未进行喷丸前，材料内部位错的运动以及晶粒滑移，会在材料表面形成位错并形成应力集中源，造成材料失效。

在喷丸后表面喷丸区域会产生塑性变形层，导致位错密度增多（见图4），晶格产生畸变，出现亚晶界和晶粒细化，在相同的应力条件下，与内部基体相比，表面喷丸强化层内的位错更难以运动，因此能够提高材料的抗疲劳和腐蚀性能。

而且喷丸强化会在材料表层形成一层纳米层，这种纳米层的形成认为是在喷丸强化过程中由于弹丸的循环撞击力超过了材料的屈服强度，受喷表面产生了大量位错、层错、剪切带等缺陷，在这些缺陷的作用下表层材料被显著细化，在受喷表面形成纳米晶层。

喷丸强化层的厚度和变形组织细化程度都与材料结构、工艺参数以及喷丸工艺类型有关。

对于面心立方、体心立方和密排六方金属来说由于其密排面和密排方向不同，从而导致滑移线和滑移方向不同，从而位错运动能力也不相同，而位错运动是细化晶粒的一种重要方式，从而晶体结构也是影响变形组织细化程度的一个重要因素。

对于喷丸工艺类型来说，传统的喷丸工艺是靠弹丸撞击材料表面从而使材料表面发生塑性变形姓曾细化层，但是新型的喷丸工艺例如激光喷丸、高压水喷丸等工艺，并不依靠弹丸或者撞针对材料进行碰撞，而这种新型的喷丸工艺相对于传统的简单喷丸来说，可以大大提高喷丸强化层的厚度。

特别是高温环境服役的零件，喷丸形成的残余压应力场容易松弛消失，这时组织强化会对疲劳性能的改善起着主要作用。

表面粗糙度

一般情况下材料在未经喷丸处理前材料表面粗糙度比较低，在喷丸处理以后会在材料表面形成大量的凹坑，使材料表面粗糙度大幅度增加。

表面粗糙度的增加会使表面完整性降低，在材料表面尖锐部分会形成应力集中，成为裂纹扩展的根源。

喷丸后表面粗糙度与材料属性及表面状态、喷丸工艺类型及参数、弹丸介质等多种因素相关。

对于比较软的材料来说在相同的工艺条件下，弹丸在材料表面形成的凹坑比较大，造成表面粗糙度变大。

对于喷丸参数来说影响表面粗糙度的主要是喷丸强度、喷丸时间和弹丸直径。

喷丸强度越大弹丸对材料表面的冲击越大，材料表面塑性变形越剧烈，从而使喷丸表面粗糙度变大。

喷丸时间在喷丸工艺中也是一个重要因素，合适的喷丸时间不仅可以提高材料表面性能而且可以节约成本，喷丸时间较短致使覆盖率不够，某些位置不能达到喷丸强化的效果，性能无法提高。

长时间的喷丸处理会使表面材料变形更加均匀，这主要是长时间的喷丸会对已喷丸的表面进行重复作用，是原本凸出的部分变得平滑，使材料的表面粗糙度降低。

但是长时间喷丸虽然可以降低粗糙度，但容易诱发材料表面发生剥层或褶皱缺陷，不利于材料抗疲劳性能的提高。

同时弹丸的大小和类型也会对粗糙度有影响，通常直径小、圆整度好的弹丸形成的表面越光滑，表面完整性越好。

为了降低喷丸后材料表面粗糙度除了可以通过增加喷丸时间外还可以通过光饰、微粒喷丸技术、干喷丸+湿喷丸复合喷丸技术等方式降低表面粗糙度。

目前的新型喷丸技术相对于传统的干喷丸技术，在喷丸后表面的粗糙度都会相对较小。

由于表面粗糙度的减小材料的性能就有了一定的提高，从超声喷丸和激光喷丸就可以看出，相比于传统的喷丸技术新型喷丸技术有着天然的优势。

表面硬度

材料的表面硬度是材料性能的最直观表现，在一般情况下材料的硬度一般与材料的强度有一定的对应关系。

在喷丸强化工艺中，硬度是显微组织加工硬化程度的一种表征，与喷丸以后材料的组织存在对应关系。

喷丸以后从喷丸表面至基体硬度逐渐降低直至达到母材硬度，材料硬度的变化主要却决于微观组织结构、相、位错密度的变化。

位错密度越大材料硬度越大，当有相的变化时，如果相的硬度比基体硬度大将会显著增加材料的硬度。

喷丸参数中对表面硬度影响最大的是喷丸强度，喷丸强度越大，弹丸的动能越大，对材料的冲击越大，材料发生塑性变形程度越大，表面硬度值和深度越大。

表面硬度的提高可以降低提高材料抗压入的能力，当作为结构件使用时可以降低缺陷的形成，从而提高材料的使用寿命。

总结：

随着近些年来喷丸技术的快速发展，尤其是新型喷丸技术的涌现，使得喷丸技术的应用越来越广泛，从而喷丸强化对材料和零件表面完整性的影响越来越受到人们的重视。

进而人们对表面完整性进行了深入的研究，为实际的工程应用提供了参考和依据。

目前对于表面完整性的研究主要集中在表面粗糙度、微观组织、残余应力、表面硬度等方面。

但是目前对于这些方面的研究并不深入，还没有建立完整的评估体系，因此还需要对其进行深入研究。

鉴于目前普通喷丸和新型喷丸技术对材料表面强化后，强化层的厚度都在几十至几百微米之间，同时某些复杂的零件采用现有的喷丸技术难以处理，因此需要开发新型的表面喷丸技术获得更大的表面完整性调控区间，增大适用范围，从而适应新材料、新结构以及更加复杂零件的使用需求，达到需要的效果。