表面強(qiáng)化技術(shù)是一種主要用來提高金屬件疲勞性能的表面改性技術(shù),已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣闊的應(yīng)用。它利用沖擊力或擠壓力等形式的機(jī)械作用使金屬材料近表面區(qū)域產(chǎn)生局部的彈塑性變形,導(dǎo)致在材料表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力,并使材料顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,增強(qiáng)了其抵抗疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。
超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)( UltrasonicShot Peening, USP )是目前最具有前景的金屬材料冷加工表面強(qiáng)化處理工藝之一,它不但克服了傳統(tǒng)噴丸的不足,且強(qiáng)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸,有更好的工藝可控性，這項(xiàng)技術(shù)目前在很多工業(yè)領(lǐng)域普遍應(yīng)用,例如航空航天、汽車、鐵路和橋梁結(jié)構(gòu),這些領(lǐng)域所需的材料需要有很高的強(qiáng)度、疲勞壽命、磨損和腐蝕抗性。在這項(xiàng)工藝中,超聲波能被轉(zhuǎn)化為撞針或者彈丸對(duì)金屬材料表面的高速?zèng)_擊,使金屬表面產(chǎn)生較塑性變形,有害殘余拉應(yīng)力得以有效消除”,并在金屬表面形成殘余壓應(yīng)力層;發(fā)生表面形變強(qiáng)化,并導(dǎo)致表面晶粒的細(xì)化和微觀組織的改善;而且噴丸殘余應(yīng)力的存在使裂紋閉合效應(yīng)增強(qiáng),有效抑制了疲勞裂紋的擴(kuò)展。因此,超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以增加金屬表面顯微硬度和強(qiáng)度,提高腐蝕抗性以及疲勞性能。
超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)目前已在噴丸強(qiáng)化和金屬表面改性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Sonats公司較早開展了超聲波噴丸設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用方面研究的工作圖。 Troyes技術(shù)大學(xué)和中科院金屬研究所率先進(jìn)行了USP金屬表面納米化的研究”。波蘭電子材料技術(shù)研究所使用超聲波噴丸技術(shù)對(duì)氧化錯(cuò)和氧化鋁陶瓷進(jìn)行了表面處理,結(jié)果顯示超聲波噴丸在其受噴金屬表面產(chǎn)生了最高達(dá)2.4GPa的殘余壓應(yīng)力[0-111從而提高了受噴材料的抗裂性能。在Renault汽車工業(yè)集團(tuán), Snecma, Volvo和Airbus等國(guó)際航空航天工業(yè)集團(tuán)及核電、火電等能源工業(yè)領(lǐng)域的零件上,超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。在美國(guó)空軍直升機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命提升計(jì)劃上, Sonats公司的超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)也得到了應(yīng)用121。目前在世界范圍內(nèi),由于其各方面的優(yōu)越性,超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)具有很大的研究?jī)r(jià)值且應(yīng)用前景廣闊。

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)

1基本原理

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)原理如圖1所示,超聲波噴丸技術(shù)是以超聲波振動(dòng)為動(dòng)力源,通過換能器將超聲波振蕩信號(hào)(頻率在20kHz)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào),再通過變幅桿將縱波機(jī)械振動(dòng)的微小振幅放大至20-80um,帶動(dòng)安裝在振動(dòng)工具頭上的撞針或者噴丸室中的彈丸對(duì)靶材表面進(jìn)行高速撞擊,導(dǎo)致靶材表面產(chǎn)生塑性變形(形成彈坑)。材料表面層的微觀組織由于這種劇烈的塑性變形而得到極大的碎化(可達(dá)納米級(jí)別),產(chǎn)生密集、均勻且穩(wěn)定的位錯(cuò)增殖。與此同時(shí)，材料內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生了高幅的殘余壓應(yīng)力分布。

2技術(shù)特點(diǎn)

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主 要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)殘余壓應(yīng)力的值較高。噴 丸強(qiáng)化效果豐要由殘余壓應(yīng)力的值和殘余壓應(yīng)力層深度兩個(gè)主要因素決定,相比較而言,超聲波噴丸試件的殘余壓應(yīng)力值要比傳統(tǒng)噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力值高很多,殘余壓應(yīng)力層的深度也要高很多。
(2)表面粗糙度較小。傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝中,所使用的彈丸尺寸一般比較小,丸粒流的噴射速度較高,而且由于撞擊過程中會(huì)伴隨著彈丸的破碎,所以受噴工件表面的粗糙度會(huì)比較大,較大的表面粗糙度又相對(duì)容易導(dǎo)致零件產(chǎn)生疲勞失效和應(yīng)力腐蝕,其結(jié)果就是大大降低了傳統(tǒng)噴丸的強(qiáng)化效果。而超聲波噴丸使用的噴丸介質(zhì)不僅有與傳統(tǒng)噴丸相似的丸粒,還有尖端曲率半徑較小的撞針。同樣在使用彈丸作為噴丸介質(zhì)的情況下，所使用的彈丸與傳統(tǒng)噴丸相比,通常選用硬度更高的軸承鋼或鎢碳鋼等材料，彈丸的直徑要大出不 少，而且表面光潔度和圓度也高出不 少。在超聲波噴丸的噴丸室內(nèi)彈丸的速度方向是完全隨機(jī)的，使得彈丸對(duì)受噴金屬表面的撞擊總體更為均 勻。以上這些導(dǎo)致超聲波噴丸處理 后的工件表面粗糙度值比傳統(tǒng)噴丸小很多，而使用撞針作為噴丸介 質(zhì)時(shí)，由于其可控性更好，噴打更為均勻。表面粗糙度則更小。2024鋁合金在1.2mm撞針直徑以及50%覆 蓋率條件下進(jìn)行超聲波噴丸強(qiáng)化，在 顯微鏡下觀察到的表面形貌如圖2 所示。

(3)設(shè)備功耗更低，便攜性好。 超聲波噴丸克服了傳統(tǒng)氣動(dòng)噴丸附 屬設(shè)備寵大的缺點(diǎn).由于采用超聲波能做動(dòng)力源，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊， 有效降低了功耗。圖3是便攜式超 聲噴丸設(shè)備的總體外觀，由于其體積 小，便攜性好，適合在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修 維護(hù)等工作。

(4)工作環(huán)境綠色無污染。當(dāng) 使用丸粒作為超聲波噴丸的噴丸介 質(zhì)時(shí).其噴丸竄存1=作時(shí)始終處于封閉狀態(tài)，而且其丸粒用量較少，丸粒 破損率也極低，非常有效地避免了傳 統(tǒng)干式噴丸法由于丸粒破碎引起的 現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染問題，而且撞針式超聲 波噴丸則完全不用考慮粉塵問題，從 而實(shí)現(xiàn)了綠色噴丸強(qiáng)化，改善噴丸工 作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

(5)工藝可控性更為良好。由 于彈丸的用量要少很多，與傳統(tǒng)噴丸相比,超聲波噴丸彈丸循環(huán)利用的周期更長(zhǎng),更換彈丸更為簡(jiǎn)便快速,也無需加設(shè)丸粒分離裝置。超聲噴丸強(qiáng)化過程受控工藝參數(shù)更少,也更容易實(shí)現(xiàn)精確控制。這些參數(shù)包括:噴丸時(shí)間、丸粒量、丸粒直徑(撞針直徑)、沖擊振幅、工件的進(jìn)給速度。

受噴表面殘余應(yīng)力場(chǎng)研究

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的研究主要是采用XRD技術(shù)研究超聲波噴丸參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布1影響。國(guó)外Rodopoulos等13采用XRD技術(shù)定量研究了摩擦攪拌焊帶合金壁板的殘余應(yīng)力分布。
南京航空航天大學(xué)郭超亞、魯?shù)丶t10采用XRD技術(shù)研究了采用不同噴丸工藝參數(shù)對(duì)7055-17751鋁合金進(jìn)行超聲波噴丸處理,其表面殘余應(yīng)力的分布情況,定量研究了噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)超聲波噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的深度和最大殘余壓應(yīng)力值會(huì)隨著沖擊振幅和撞針直徑的增加而增大。所獲得的最佳工藝參數(shù)使得最大殘余壓應(yīng)力分布深復(fù)相比初始狀態(tài)提高了1.31倍以上,最大殘余壓應(yīng)力值達(dá)到了初始狀態(tài)的6.8倍和8.14倍。

表面納米化研究

超聲波噴丸表面納米化,是由于超聲波噴丸能夠?qū)е陆饘俨牧媳砻姘l(fā)生劇烈的塑性變形,在材料表面生成了納米晶粒或者超細(xì)品粒結(jié)構(gòu),從而大大提高了材料的表面性能。但是超聲波噴丸強(qiáng)化處理是否一定能夠?qū)е虏牧媳砻婕{米化,主要是由金屬材料本身與其工藝參數(shù)決定的。國(guó)外一些學(xué)者的研究已經(jīng)表明,使用聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以在金屬表面產(chǎn)生厚度大約30-504m的超細(xì)晶粒層。國(guó)內(nèi)外在USP強(qiáng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用方面?zhèn)戎攸c(diǎn)有所不同,在日本和一些歐美國(guó)家,主要側(cè)重于表面強(qiáng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者則更偏向于超聲波噴丸材料表面納米化以及表面改性。
目前,國(guó)內(nèi)外在超聲噴丸表面納米化技術(shù)對(duì)于受噴材料疲勞性能作用方面的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一。研究表明,一方面USP表面納米化可以抑制塑形變形并保持穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)層,阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),抑制疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展;另一方面由于增加了表面粗糙度,生成了表面微裂紋,晶界處原子活性很高,鈍化膜不穩(wěn)定等原因, USP表面納米化后材料的耐蝕性能有所降低。而且超聲波噴丸強(qiáng)仙對(duì)材料疲勞性能的作用還要受其他諸多因素的共同影響。Shaw、Tian等研究了超聲波噴丸處理對(duì)鎳基高溫合金C-2000疲勞極限的影響,研究表面超聲波噴丸處理對(duì)C-2000疲勞極限的改善程度比傳統(tǒng)噴丸處理高出很多,這是由殘余壓應(yīng)力、表面納米化和加工硬化共同作用所導(dǎo)致的1, Nalla Nikitin等學(xué)者的相關(guān)研究也得出了類似的結(jié)論。

關(guān)鍵技術(shù)分析

超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)具有相當(dāng)大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展?jié)摿?跟有些國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)在超聲波噴丸設(shè)備研制和工藝技術(shù)研究方面均起步較晚,總結(jié)起來有以下關(guān)鍵技術(shù)需要克服:
(1)超聲波噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的優(yōu)化。超聲波噴丸過程非常復(fù)雜,涉及到機(jī)械學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)、電學(xué)等諸多學(xué)科,要想取得最佳噴丸效能和最佳強(qiáng)化效果,應(yīng)綜合考慮各個(gè)噴丸工藝參數(shù)的影響,對(duì)噴丸工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如撞針式超聲波噴丸發(fā)生器頻率及工作功率、撞針直徑及數(shù)量、撞針分布密度、撞針振幅、噴丸時(shí)問等,如何建立諸多噴丸工藝參數(shù)之間的聯(lián)系,優(yōu)化超聲波噴丸強(qiáng)化總體工藝設(shè)計(jì),具有很大的研究意義.
(2)超聲波噴丸的力學(xué)模型的創(chuàng)建。無論是撞針式或是彈丸式超聲波噴丸,撞針或高速?zèng)_擊作用的力學(xué)模型創(chuàng)建和驗(yàn)證一直以來都是技術(shù)難點(diǎn),撞針或丸粒對(duì)靶材表面沖擊力的理論計(jì)算非常重要,這對(duì)于將生產(chǎn)工藝控制和仿真計(jì)算相聯(lián)系有著直接的決定意義。
(3)殘余壓應(yīng)力、加工硬化、表面納米化對(duì)表面性能影響的聯(lián)合作用研究。由于表面納米化對(duì)表面性能的影響不是單方面的,而且受殘余壓應(yīng)力、加工硬化等因素的影響,通過研究它們之間的聯(lián)合作用方式和機(jī)理,對(duì)優(yōu)化超聲波噴丸表面強(qiáng)化工藝具有重要意義。另外,由于受噴工件在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用非常普遍,還需要進(jìn)一步研究USP表面納米化處理對(duì)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕性能的影響。
(4)超聲波噴丸過程數(shù)值模擬模型的精確建立。噴丸過程是一定數(shù)量的撞針或者大量丸粒不斷沖擊工件表面,對(duì)于撞針式噴丸,工件表面受到各個(gè)撞針的動(dòng)載作用,撞針沖擊靶材的沖擊力大小及其方向可能會(huì)不同;而對(duì)于彈丸式噴丸而言則更為復(fù)雜,彈丸的沖擊速度、人射角度、沖擊區(qū)域都具有隨機(jī)性,整個(gè)超聲波噴丸的物理過程非常復(fù)雜,建立精確的工件超聲波噴丸模型非常難。
另外,由于在高應(yīng)變率下,撞針、丸粒和受噴材料的材料屬性很難得到,彈丸或撞針與靶材的接觸和摩擦也很難確定,使得有限元模擬的準(zhǔn)確性很難得到保證。

結(jié)束語

目前,法國(guó)Sonats公司和國(guó)內(nèi)江蘇世紀(jì)銘豐科技有限公司分別是現(xiàn)今國(guó)際上唯一持有原創(chuàng)性超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的企業(yè)和國(guó)內(nèi)少數(shù)超聲波噴丸強(qiáng)化、噴丸成形機(jī)集成商，我國(guó)在超聲波噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的研究以及應(yīng)用上起步相對(duì)較晚,如果能盡快提升我國(guó)這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用能力,將有助于加強(qiáng)我國(guó)金屬表面強(qiáng)化這一領(lǐng)域的總體技術(shù)水平。在理論上,超聲波噴丸強(qiáng)化的機(jī)理有待深入研究,各項(xiàng)噴丸工藝參數(shù)對(duì)表面強(qiáng)化效果的影響以及它們之間的相關(guān)性需要進(jìn)一步的分析,殘余應(yīng)力場(chǎng)、加工硬化和表面納米化對(duì)表面強(qiáng)化的聯(lián)合作用效果和機(jī)理尚不明確,超聲波噴丸強(qiáng)化精確的數(shù)值模型有待建立與優(yōu)化。

我們堅(jiān)持自主創(chuàng)新制造與國(guó)外技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的方針，為國(guó)內(nèi)企業(yè)、研究單位提供各種型號(hào)超聲波噴丸強(qiáng)化機(jī)和自動(dòng)化超聲波噴丸機(jī)器人，設(shè)備覆蓋鋼丸、沖針兩種類型，目前我司生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)型號(hào)頻率覆蓋20-100kHz，同時(shí)代理法國(guó)SONATS公司產(chǎn)品，目前機(jī)床型的超聲波噴丸強(qiáng)化機(jī)，均為定制產(chǎn)品，可預(yù)約產(chǎn)品參數(shù)，歡迎了解。