钛及钛合金喷丸强化研究进展

钛及钛合金喷丸强化研究进展

冯宝香

1,2

，杨冠军2，毛小南2，于兰兰2，吴小东1

（1. 西安建筑科技大学，陕西 西安 710055） （2. 西北有色金属研究院，陕西 西安 710016）

摘 要：喷丸强化能够显著提高钛及钛合金材料的常规抗疲劳性能和微动疲劳抗力，在最佳的喷丸工艺条件下可以得到较好的性能。本文从组织强化、应力强化、残余压应力及其松弛、表面粗糙度几方面叙述了钛合金的喷丸强化机制和研究进展。最后阐述了喷丸强化对钛合金力学性能的影响研究。 关键词：钛合金；喷丸强化；残余压应力；力学性能

1 前 言

由于钛及钛合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于航空工业中，主要用来减轻结构质量和提高推重比，适用于飞机和发动机的设计需要。但是，由于钛及钛合金自身的疲劳强度低、分散性大、硬度低及耐磨性能差的缺点限制了它的进一步应用。在美国、俄罗斯及西欧等经济、军事强国，钛合金材料主要应用于航空航天和军事领域。相对而言，在我国钛合金的应用还比较有限，因而扩大钛及其合金在我国航空航天以及其他领域的应用势在必行。喷丸强化是公认的提高钛及其合金零件的抗疲劳性能和微动疲劳抗力的有效方法。近年来，许多钛合金材料制作的压力容器、涡轮叶片、涡轮盘等重要承力件，在加工中均采用了喷丸强化工艺。目前在航空航天工业上主要利用喷丸强化来改善零件的抗疲劳性能和提高其微动疲劳抗力，从而提高飞机零部件的可靠性和耐久性。因此，研究钛及其合金的喷丸强化工艺、强化机制，对于延长产品的使用寿命，提高产品质量，扩大钛合金材料的应用范围具有极为重要的意义。

层的程度和深度。在实际喷丸加工过程中，喷丸工艺参数控制喷丸强度的大小[1]。喷丸不足或喷丸过多，都会对零件的疲劳寿命有不利影响。若喷丸强度过小，达不到强化要求，而喷丸强度过大，又会导致受喷表面产生缺陷或裂纹。只有在最佳喷丸强度下零件才能获得最好的性能[2]。美国波音公司对飞机钛合金的构件进行喷丸处理时，规定零件最小厚度与可采用的喷丸强度之间有一定的关系。当零件厚度在1~6 mm范围时，喷丸强度在0.05~0.4 A。图1和图2分别为美标工业纯钛和钛合金的零件最小厚度与喷丸强度的关系[3]。我国生产的钛合金材料的喷丸强度要低于美标钛合金材料[3,4]。随着我国钛合金新材料的不断研发，对于材料的最佳喷丸工艺的研究需要进一步深入。

3 喷丸强化机制

喷丸强化是利用高速喷射的细小弹丸撞击受喷工件的表面，使钛合金材料表层产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余应力分布，从而提高材料的抗疲劳强度、微动疲劳抗力、损伤容限[5]的一种表面处理方法。喷丸强化可在工件表面上造成0.05~0.8 mm深的应变强化层，材料表面的应变强化层发生几种不同于基体的变化：1）循环硬化/软化现象[6]；喷丸引起表面层内的应变为循环应变，它将导致表面应变层内的材料发生循环硬化或软化；2）表层组织结构—亚晶粒

2 钛及钛合金最佳喷丸工艺参数

喷丸强化的工艺参数包括弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷嘴至零件表面距离、喷射时间等，这些参数都直接影响喷丸表面强化

收稿日期：2007-11-30

作者简介：冯宝香（1979-），女，硕士，主要从事钛合金新材料的研究工作，E-mail:fengbx_005@163.com。

2 25卷

0.4

0.3

A /度 强丸0.2

喷 0.1

1 2 3 4 5 6

零件最小厚度/mm

图1 美标工业纯钛零件最小厚度与喷丸强度的关系

0.5 0.4

A /度0.3 强丸喷0.2 0.1

0

0 1 2 3 4 5 6 7

零件最小厚度 /mm

图2 美标钛合金零件最小厚度与喷丸强度的关系

细化，位错密度增高，产生相变；3）表面层产生

很高的宏观残余压应力；4）表层内微观应力增高。由于表面层内的金属产生塑性形变，引起晶体晶格产生最大限度的畸变，由此亚晶粒之间产生了很高的微观应力；5）表面粗糙度（即应力集中）的变化。喷丸强化后在表面层内所引起的上述应力状态及组织结构上的变化，是零件抗疲劳强度提高的主要原因。 3.1 组织强化

喷丸应变层内的位错密度增高、晶体点阵畸变增大、亚晶粒细化等组织结构不但阻碍应变层内的晶体发生滑移，而且能把基体发生的滑移阻止在应变层与基体界面上。Hall-Petch理论指出，材料的抗疲劳强度或硬度随亚晶粒尺寸的减小而增高[2,6]，在亚晶粒组织内，因为晶粒内的滑移距离缩短，从而降低了应力集中，提高了裂纹的起始抗力，推迟了成核时间，所以具有更高的室温

抗疲劳强度。在高温疲劳条件下，当工作温度超过材料的恢复与再结晶温度时，表面强化层内的残余压应力会发生松弛，但应变层内的组织结构还相当稳定，此时组织强化是提高材料抗疲劳性能的主要强化因素。张建斌[7,8]等对工业纯钛喷丸后的显微组织做了详细的研究。结果表明，表面强化层组织中有变形带、准孪晶栅栏出现，形成了高密度位错和大量变形孪晶。孪晶栅栏本身为稳定组态，可阻碍心部位错滑移出表面，并且将表层的塑性变形限制在栅栏内部，从而延缓表面挤出挤入型疲劳裂纹的早期萌生。变形孪晶是一种稳定的亚结构，在疲劳应力作用下，数量和排列方式不会发生改变。这种稳定性能阻止喷丸引入的残余压应力在疲劳过程中发生松弛[9,10]。然而喷丸先后形成的形变孪晶之间发生冲突造成的微观损伤，会抵消栅栏强化的有利作用，是导致钛合金的抗疲劳强度不能提高的主要原因[11]。文献[12]的研究显示，喷丸强化工艺将TC9钛合金拉削表面的冷作硬化程度由29%增加到38%，冷作硬化深度增加了1倍，对表面层质量产生良好的影响。

3.2 应力强化

在喷丸过程中，由于表面层金属材料的强烈塑性变形，表面层的应力状态发生了很大变化，即产生很高的残余压应力和微观应力。残余压应力和微观应力的存在，对零件的力学性能产生有利的影响。喷丸变形过程中，零件表面层产生很大的残余压应力，而内部则为拉应力。疲劳裂纹在表面层的形成及扩展的主要原因是由拉应力而引起的，而表面拉应力的减弱也就意味着零件抗疲劳强度的提高[13]。应力强化的机制是喷丸所形成的一定深度的残余压应力场不仅可以抑制疲劳裂纹的萌生，而且可以增加裂纹的闭合效应来减小疲劳短裂纹的扩展速率，甚至出现止裂现象[14~16]

。因为引入的残余压应力可以抵消外界拉应力对材料的作用，拉应力越小，材料表面微观裂纹周围的应力集中越低，因此可以抑制裂纹的形成和扩展。文献[17]认为，喷丸强化引入的残余压应力场可以将疲劳裂纹源由表面驱赶到次表面层，从而显著提高材料的疲劳寿命。应力强化对喷丸材料的效果取决于残余应力场在疲劳过程中的稳定性。常温抗疲劳强度是受组织强化和应力强化两种机制共同作用的，它们对抗疲劳强度的贡献大小依次受材料本身循环特性、应变强化层

第3期 冯宝香等：钛及钛合金喷丸强化研究进展 3

内的组织结构、残余应力场的合理分布的影响[7]。残余压应力场是提高材料常温抗疲劳强度的主要原因。

3.3 残余压应力及其松弛

很多研究显示，钛合金材料喷丸后引入的残余应力分布呈“S”形[4,14,18]。高玉魁[18]对TC18超高强度钛合金喷丸残余压应力场的特征及规律进行了详细研究。结果表明，随着喷丸强度和表面覆盖率的增加，最大残余压应力距表面距离增大，残余压应力场深度也增加。在不同的喷丸强化规范下，引入的最大残余压应力值基本不变。当喷丸工艺参数一定时，喷丸表面残余压应力值的大小主要取决于材料的晶体类型、屈服强度和拉伸硬化率指数。表面残余压应力随材料的硬化指数增加而增加，具有低的硬化指数的密排六方结构的钛合金，表面残余压应力的值一般低于材料的拉伸屈服强度。钛合金材料的喷丸强度与残余压应力场深度呈线性关系[18,19]。

当在外加交变载荷中有压应力成分[14]、静载荷、热机械载荷[20]时，高温条件下，残余压应力和微观应力会发生松弛。当外加应力振幅大于疲劳极限时，残余压应力与外载压应力值叠加。松弛多发生在最初的循环周次，其后渐趋于稳定。研究表明，为了避免有害于抗疲劳强度的应力松弛发生，喷丸引入的最大残余压应力与外加应力振幅的绝对值之和应小于材料

的屈服强度。即σr，max＋

σa＜σs，而−σr，max值称 为最佳残余压应力，此时存在一个最佳残余应力场，材料获得了最佳喷丸强化效果[6,21]。当钛合金的工作温度高于250 ℃时，表面残余压应力会发生大幅度的松弛，影响强化效果[6,22]。Berger[23]对喷丸Ti21s合金的残余应力热松弛进行了研究，使用Zener-Wert-Avrami公式描述了合金在不同温度和保温时间作用下的残余应力松弛的动力学过程。TC18钛合金喷丸后在温度和交变载荷单独或共同作用下，残余压应力会逐渐发生松弛。若温度低于材料的再结晶温度且外加交变应力低于材料的抗疲劳强度极限时，残余压应力松弛则不明显[18]。喷丸可以提高Ti-6-22-22合金在高周交变应力下的抗疲劳强度，但是当外加交变应力大于合金的屈服强度时，疲劳寿命不会提高[4]。 3.4 表面粗糙度

材料喷丸后的表面粗糙度状态受材料的硬度、原始表面粗糙度和喷丸工艺参数的影响。喷

丸引起的表面粗糙度的变化对抗疲劳性能有重要影响。喷丸表面塑性变形层粗糙度越大，应力集中点就会越多，将会抵消喷丸强化在提高抗疲劳性能方面的效果[12,17]。而且表面粗糙度的增高会降低喷丸引入的最大残余压应力值[24]。一般认为，软材料喷丸，表面粗糙度大，裂纹易在表面形核；而硬材料喷丸，粗糙度较小，疲劳源常在试样内部，疲劳极限提高较大。喷丸引入的粗糙度增大对高温下钛合金材料的常规抗疲劳和抗微动疲劳性能也有不利影响[20,25]。

4 喷丸强化对钛合金力学性能的影响

在常温下，喷丸产生的残余压应力、显微组织结构、表面粗糙度、显微硬度等都对材料的力学性能有影响，其中残余压应力的影响最大。钛合金材料喷丸强化后其常规抗疲劳性能和微动疲劳抗力能显著提高。TC9钛合金零件喷丸后，表面层内产生了较大的残余压应力，使抗疲劳强度提高了30%左右[12]。高玉魁对Ti-10V-2Fe-3Al和TC18钛合金喷丸后的常温抗拉－拉疲劳性能进行了研究，结果显示喷丸不但能明显改善两种合金的高周疲劳寿命，而且使1×107周次下的疲劳极限分别提高30%和27%，此外喷丸可以降低缺口的应力集中敏感性[14,26]。在高温条件下，喷丸强化产生的残余压应力、显微硬度会显著下降，致使抗疲劳强度降低。研究表明喷丸可以显著提高TiAl合金在中温下的疲劳寿命，但在高温条件下，有效作用不大[5]。Z L Yu[13]等研究了喷丸强化对Ti-6-22-22合金在室温和高温（400 ℃）下的疲劳寿命的影响。结果显示，在室温、高循环应力下，喷丸试样的疲劳寿命比未喷丸试样的大。因为喷丸试样的裂纹萌生于表面下层，属于内部裂纹。内部裂纹增长的驱动力小于表面裂纹，而且内部裂纹可以避免环境中有害因素的影响。然而，在室温、低循环应力下，喷丸试样与未喷丸试样的疲劳寿命基本相等。因为在低循环应力下，未喷丸试样表面裂纹萌生和喷丸试样内部裂纹萌生所需的应力周次几乎相等。尽管未喷丸试样的裂纹增长率大于喷丸试样的，但是大部分疲劳失效发生在裂纹萌生阶段。在400 ℃、高循环应力下，喷丸试样的疲劳寿命小于未喷丸试样的，这可能与表面加工硬化和塑性损伤有关。此时，裂纹更容易萌生在喷丸试样的表面并且由于残余应力的松弛裂纹增长更快。在400 ℃、低循环应力

4 25卷

下，喷丸试样的疲劳寿命明显高于未喷丸试样的。此时，喷丸试样微观裂纹的萌生更加困难，喷丸引起的表面高密度位错有助于疲劳寿命的提高。Sridhar[27]等的研究结果显示，在450 ℃、低应力振幅条件下，喷丸能提高IMI-685合金的疲劳寿命。

钛合金耐磨性差，对微动疲劳损伤非常敏感，是限制钛合金在航空工业中应用的重要原因。微动可以加速疲劳裂纹的萌生和扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。微动使纯钛的疲劳极限降低38%，而使Ti-6Al-4V合金疲劳极限下降62%。喷丸强化是提高钛合金微动疲劳抗力最有效的方法，其作用优于对常规抗疲劳性能的改善效果。Ti6Al5Zr钛合金在0.16 A喷丸强度时，常规抗疲劳强度提高14%，而抗微动疲劳强度提高了49%[28]。喷丸强化能提高钛合金抗微动疲劳强度主要是由于引起材料表面3种变化：l）在表面产生残余压应力，抵消了微动中产生的部分张应力，阻碍了裂纹的萌生及早期扩展；2）使表面加工硬化，提高了材料抗微动磨损性能；3）使表面粗糙度增加，使凸峰点承受微动作用[29]。对Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al研究显示，喷丸处理不能改善抗微动磨损性能，但可以提高合金在250 ℃以下的抗微动疲劳强度[22]。喷丸处理不能提高钛合金材料在高温或高应力状态下的微动疲劳抗力，甚至还有不利影响。在高温条件下，微动疲劳比常规疲劳能引起更大的应力松弛，此应力松弛能大大减小微动疲劳寿命[15,30]。在350 ℃时，Ti811合金的微动疲劳极限只有常规疲劳极限的41%[25]。

5 结 语

对材料喷丸强化的研究必须建立在塑性变形理论、位错及相变理论、残余应力及其松弛、疲劳断裂、应力腐蚀和表面强化六个基础理论之上[31]

。目前，对于喷丸强化机制的研究有一定的进展，但应继续探讨各种条件下的强化机制，而且喷丸所产生的各种效应的定量研究有待深入。需要研究喷丸强化工艺参数与各种钛合金材料的抗疲劳性能之间的关系，以便使喷丸零件获得最佳的强化效果，最终目的是能够获得抗疲劳强度优异的钛合金产品，扩大钛合金材料在我国各个领域的应用。

参考文献

[1] 龙 伟. 机械设计与制造工程[J], 2001, 30(3): 69 [2] 刘 锁. 金属材料的疲劳性能与喷丸强化工艺[M].

北京: 国防工业出版, 1977: 99

[3] 王仁智. 航空材料喷丸强化手册[M]. 北京: 航空航

天部系统工程出版社, 1988: 45

[4] 喷丸强化技术编写组. 喷丸强化技术[M]. 北京: 国

防工业出版社, 1973: 6

[5] Lindemann J, Buque C, Appel F. Acta Materialia[J],

2006, 54: 1155

[6] 王仁智. 机械工程材料[J], 1998, (5): 19

[7] 张建斌, 马 勤, 周 琦等. 中国有色金属学报[J],

2001, 11(6): 1037

[8] 张建斌, 马 勤, 季根顺等. 中国表面工程[J], 2001,

(4): 27

[9] 徐可为, 胡奈赛, 何家文. 金属学报[J], 1994, 30(1):

29

[10] 谈育煦, 任利平, 李 刚. 西安交通大学学报[J],

1989, 23(4): 53

[11] 王静宜, 高 巍, 徐 彤等. 兵器材料科学与工程[J],

1999, 22(3): 9

[12] 田双印, 王尚志. 航空制造技术[J], 1986, (4): 36 [13] Yu Z L, Li S X, Liu Y Y et al. Materials Science and

Engineering A[J], 2004, 383: 283

[14] 高玉魁. 中国有色金属学报[J], 2004, 14(1): 60 [15] Namjoshi S A, Jain V K, Mall S. Journal of

Engineering Materials and Technology[J], 2002, 124: 222

[16] 张建斌, 王静宜, 王淑琴等. 西安工业学院学报[J],

1999, 19(4): 308

[17] 高玉魁, 殷源发, 李向斌等. 材料工程[J], 2001,

(12): 46

[18] 高玉魁. 稀有金属材料与工程[J], 2004, 33(11):

1209

[19] 王 强. 高强度钢试样喷丸残余应力实验研究及数

值模拟[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2006

[20] Hyukjae Lee, Shankar Mall. Materials Science and

Engineering[J], 2004, A366: 412

[21] 周惠久, 朱金华, 何家文. 西安交通大学学报[J],

1996, 30(4): 1

[22] 王世洪, 叶 斌, 梁佑明等. 稀有金属材料与工程[J],

1991, 20(1): 21

[23] Berger M C, Gregory J K. Materials Science and

Engineering A[J], 1999, 263(2): 200

[24] 李金魁, 姚 枚, 王仁智等. 航空学报[J], 1992,

第3期 冯宝香等：钛及钛合金喷丸强化研究进展 5

13(11): 670

[25] 张晓化, 刘道新, 高广睿. 稀有金属材料与工程[J],

2005, 34(12): 1985

[26] 高玉魁. 稀有金属材料与工程[J], 2004, 33(9): 1000 [27] Sridhar B R, Ramachandra K, Padmanabhan K A.

Journal of Materials Science[J], 1996, 31(22): 5953 [28] 高广睿. 表面改性对钛合金高温微动疲劳行为影响

的研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2005

[29] Fridrici V, Fouvry S, Kapsa Ph. Wear[J], 2001, 250:

642

[30] Hyukjae Lee, Shankar Mall. Materials Science and

Engineering[J], 2005, A390: 227

[31] 王仁智, 刘明辉. 机械工程材料[J], 1987, (2): 63

Research Development of Shot Peening Strengthening of Titanium Alloys

Feng Baoxiang1,2, Yang Guanjun2, Mao Xiaonan2, Yu Lanlan2, Wu Xiaodong1

(1. Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China) (2. Northwest Institute for Nonferrous Metal Reseach, Xi’an 710016, China)

Abstract: Shot peening technology can significantly improve the conventional fatigue properties and fretting fatigue resistance of titanium alloys. The perfect performance can be obtained after the optimum shot peening process. This paper includes several aspects of structure strengthening, stress strengthening, residual compressive stress and its relaxation behavior and surface roughness. It describes the mechanism of shot peening and research development of titanium alloys. Finally, it discusses the effect of shot peening on mechanical properties of titanium alloys. Key words: titanium alloys; shot peening; residual compressive stress; mechanical properties