材料表面改性作為傳統(tǒng)材料性能優(yōu)化的基礎研究被列為國 家自然科學基金“九五”“、十五”優(yōu)先資助領域 ,充分體現(xiàn)了表 面改性技術在促進國民經(jīng)濟建設和貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的顯 著作用和重要地位 。而在表面涂鍍 、表面合金化和摻雜 、表面組 織轉化等眾多表面改性技術群中 ,對提高金屬零構件抗交變載 荷作用下的疲勞能力最顯神威的是噴丸強化技術 。它集制造工 藝和使用維修于一體 ,從邊際設計的維修補救措施 ,發(fā)展到原型 設計的一部分 ;目前 ,廣泛應用于航空、航天、汽車、核動力、兵 器 、石油 、煤炭 、化工 、機車 、工程機械 、汽輪機 、農(nóng)機 、塑料模具 、 電氣開關等眾多工業(yè)部門。隨著科技的進步 ,新的噴丸方法不 斷涌現(xiàn) ,超音速噴丸 、高壓水射流噴丸 、高能振動噴丸 等相繼 問世 。高壓水射流技術是近 30 年來迅猛發(fā)展起來的一項新技 術 。它的應用范圍由單純采礦業(yè)的水力開采發(fā)展到機械 、化工 、 航空 、航天 、建筑 、紡織 、冶金等眾多領域 ,用以切割 、清洗 、除銹 和破碎等作業(yè)。在 20 世紀 80 年代末 ,Zafred 首先提出了利用 高壓水射流進行金屬表面噴丸強化的思想 ,從而開始了高壓水 射流噴丸強化技術的研究 。

1 .高壓水射流噴丸強化機理

高壓水射流噴丸強化的基本原理 ,就是將攜帶巨大能量的 高壓水射流以某種特定的方式高速噴射到金屬零構件表面上 , 使零構件表層材料在再結晶溫度下產(chǎn)生塑性形變 (冷作硬化 層) ,呈現(xiàn)理想的組織結構 (組織強化) 和殘余應力分布 (應力強 化) ,從而達到提高零構件周期疲勞強度的目的 。

高壓水射流噴丸強化時 ,在水射流的強烈沖擊碰撞下材料 表層產(chǎn)生的變形是由多種作用引起的 ,對于不同的射流介質(zhì) 、射 流形式和噴射方式 ,各種作用效果不同 ,有的居于主導地位 ,有 的處于次要位置 。筆者研究認為 ,高壓純連續(xù)水射流噴丸強化 時 ,水射流的滯止壓力引起的沖擊和彈性沖擊波產(chǎn)生的動態(tài)壓 力起主導作用 ;脈沖水射流噴丸強化時 ,彈性沖擊波產(chǎn)生的動態(tài) 壓力和液體橫向分流對表面的剪切作用居主要地位 ;空化水射 流噴丸強化時 ,空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊起主要作用 ;混合水射流(混入彈丸) 噴丸強化時 ,彈丸沖擊壓入產(chǎn)生的法向力和切向力 起主導作用。Ramulu 等 研究表明 ,高壓水射流噴丸強化與 傳統(tǒng)的噴丸強化具有相似的工藝過程和表現(xiàn)形式 ,水射流沖擊 下在零構件表層形成塑性形變 ,產(chǎn)生殘余壓應力 ,增加了材料表 面硬度 ,從而可以有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴展 ,提高零 構件的疲勞強度 。

2 .高壓水射流噴丸強化方法

高壓水射流噴丸強化技術彌補了傳統(tǒng)噴丸強化工藝的不足 ,具有廣闊的應用前景。各國學者認識到這一技術的巨大優(yōu)勢 ,從 Zafred 提出高壓水射流噴丸強化工以來便相繼開始研究 ,探索各種強化方法 。美國的 Kunaporn 等設計了高壓純水射流噴丸器 ,采用出口帶圓柱段的圓錐收斂型噴嘴和扇型噴嘴對70752T6 鋁合金進行噴丸強化試驗 ,結果表明 :純水射流噴丸強 化對受噴材料疲勞壽命的影響取決于噴參數(shù) ,即噴射壓力 、噴嘴移動速度 、靶距 、著流時間及噴嘴類型等 ,且在相同條件圓 錐收斂型噴嘴比扇型噴嘴產(chǎn)生殘余壓應力的作用效果好 ,但表面粗糙度值也高 ; 在扇型噴嘴試驗條件下疲勞壽命最大提高25%左右。俄羅斯的 ФУДОВИН等研制了電液壓脈沖射流噴丸器 ,脈沖放電產(chǎn)生 180 ~360MPa 的脈沖壓力 ,使經(jīng)噴嘴噴出的液體速度達到 150~700mΠs ,作用于零件的被處理面上使之強化 ,經(jīng)三家機器制造企業(yè)工業(yè)性試驗表明 ,噴丸強化效果顯著 ,可適用于任何復雜形狀表面。日本的 Hitoshi 等設計了帶有加熱器的空化射流噴丸器 ,采用圓柱形噴嘴對 SUP7 鋼噴丸強化 ,即使上游壓力為 20 MPa 時 ,噴丸后材料的疲勞強度也可以提高 10 %左右 。日本開發(fā)了自吸式干丸后混合水射流噴丸強化加工設備 ,噴丸器高壓水的壓力為 100~250 MPa ,玻璃彈丸直徑為 0. 05 ~ 0. 20 mm ,已用于本田技研工業(yè)公司熊本制作所進行汽車后軸傳動齒輪的大批量噴丸強化加工 。筆者基于流體 網(wǎng)絡理論計了前混合水射流和前混合自激振蕩水射流噴丸強化裝置 (系統(tǒng)原理見圖 1) ,選用 0. 26~0.35mm 的玻璃丸 ,對2A11 鋁合金和 45 # 鋼進行噴丸強化試驗 ,結果表明 ,在噴射壓力為 15 MPa 時 ,兩種強化方式均可以獲得顯著的噴丸強化效果。

目前 ,高壓水射流噴丸強化技術的研究剛剛起步 ,理論上有 待發(fā)展 ,技術上有待完善 。

3 .高壓水射流噴丸強化特點

高壓水射流噴丸強化技術與傳統(tǒng)噴丸強化工藝相比具有以下特點 :

1)容易對存在狹窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等進行強化。
2)受噴表面粗糙度值增加很小,減少了應力集中現(xiàn)象,提高了強化增益效果。
3)純水射流噴丸強化時,工作介質(zhì)為水,無固體彈丸廢棄物,符合綠色材料選擇原則,同時,可以實現(xiàn)全覆蓋率,且不會由于固體彈丸的破損而降低強化表面的可靠性。
4)水介質(zhì)和動力源來源廣泛,可實現(xiàn)全強度噴丸和同時加工幾個表面,比能耗和成本低、生產(chǎn)效率高。
5)噴頭體積小,反作用力小,移動方便,易于實現(xiàn)光控、數(shù)控及機械手控制,提高噴丸強化質(zhì)量。
5)整套噴丸裝置體積不大,可以裝在機動車上進行遠距離操作和外場作業(yè)。
7)噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛(wèi)生,有利于環(huán)境保護和操作者的健康,可實現(xiàn)綠色噴丸強化。

4.結論

1)高壓水射流噴丸強化能有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴展,提高零構件的疲勞強度。
2)水射流噴丸強化技術與傳統(tǒng)的噴丸強化工藝相比具有相似的工藝過程和表現(xiàn)形式,強化作用也是由組織強化和應力強化共同完成。
3)水射流噴丸強化過程中力的作用行為取決于射流介質(zhì)、射流形式和噴射方式。
4)水射流噴丸強化技術先進、優(yōu)勢明顯,具有廣闊的應用前景。