民用飞机铝合金喷丸强化工艺研究

朱伟彬

摘 要：喷丸强化和成形工艺广泛应用于民用飞机零件制造过程中。针对其中铝合金喷丸强化工艺，该文首先介绍了喷丸强化工艺的原理和作用，然后引出喷丸强化工艺流程，主要包括喷丸强度确定、弹丸选择、喷丸设备、工艺规程及其注意事项、以及零件喷丸后的补加工等，最后对文中涉及的专业术语进行了一定解释。该文可用于指导民用飞机铝合金零件设计时的喷丸强化工艺选择，也可用于民用飞机铝合金零件制造时的喷丸强化工艺使用。

关键词：喷丸强化 弹丸 疲劳强度

中图分类号：V264.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0095-01

1 喷丸强化简介

喷丸是将一定直径（通常为0.019～0.033英寸）的弹丸以一定的速度撞击金属表面的一种表面强化工艺。通过喷丸，可以在金属表层中诱导出有利的残余压应力，从而提高材料的抗应力腐蚀开裂能力并改善材料的疲劳性能。

喷丸强化工艺在民用飞机零件制造中，主要应用于机翼壁板、机翼梁、主起落架接头、球面框或气密端框缘条等疲劳载荷比较严重的地方。此外喷丸强化工艺也应用于加工螺栓体和螺栓头之间的圆角处以及其他零件的圆角上。但是它更加适用于形状简单的零件，不能广泛用于形状复杂的零件。

2 喷丸强化的原理和作用

喷丸是一个将高速运动的弹丸连续不断的向零件表面喷射的过程。弹丸流的喷射如同无数小锤向金属表面锤击，这就使金属构件表面层产生极为强烈的塑性变形，形成表面强化层。从应力状态来看，强化层内部形成较高的残余压應力；从组织结构来看，强化层内形成了密度极高的位错，并且在随后的交变应力或温度的作用下，位错逐渐排列规则，形成更加微小的亚晶粒，喷丸强化层内所具有的这种不同于心部的压应力状态和组织结构，是改善零构件疲劳强度以及提高抗应力腐蚀性能的两个主要因素。

强化层内的压应力和组织结构并不是固定不变的。零构件在长期承受交变应力的过程中，一般来讲，残余应力会逐渐的发生松弛，亚晶粒也会逐渐长大，甚至发生再结晶过程。在一般情况下，残余压应力的消失速率和亚晶粒的长大速率取决于施加交变应力的水平和温度。应力和温度越高，二者的变化率越大，因此，喷丸强化零构件在经过一段时间的使用之后，为恢复其喷丸强化效果，往往需要再行喷丸强化。

飞机结构上的某些构件为防止表面产生应力腐蚀而往往采用表面阳极化或其他镀层。但是，阳极化或镀层往往降低材料的疲劳强度。喷丸强化可以弥补由于采用保护层而带来的疲劳性能方面的损失。必须指出，对薄构件喷丸时，应注意避免产生不平衡的残余应力；对包铝板不应使用喷丸强化，防止因喷丸而造成铝层脱落，引起腐蚀。

3 喷丸强化工艺

3.1 喷丸强度的确定

实际生产通常根据零件的尺寸、形状、力学性能、表面光洁度等情况，参照同类材料和零件的喷丸强度，选择一种较为适宜的喷丸强度。喷丸强化后用零件作一定数量的对比试验，通常是疲劳强度试验或应力腐蚀试验，加载力、周期、振幅等可参照零件的实际受力情况，例如在适当的交变应力下比较未喷丸和喷丸零件（或试样）的疲劳断裂寿命，或者比较它们的疲劳强度极限。

3.2 弹丸的选择

一般情况根据下述原则来选择弹丸。

（1）铝合金最好采用玻璃丸。

（2）对表面光洁度无严格要求的大型零件，可采用较大的弹丸以获得较高的喷丸强度。

（3）对表面光洁度要求较高的零件，应采用较小的弹丸，在保证具有足够喷丸强度的同时，尽量满足规定的光洁度要求。

（4）带有内外圆角、沟槽的零件，所选择的弹丸直径应小于内外圆角半径以及沟槽的宽度。

3.3 喷丸设备

民用飞机零件制造中，通常采用三种类型的喷丸设备，它们是带喷嘴的空气增压设备、离心轮喷丸设备和装在气钻上的翼片轮手提式喷丸设备。后者主要用于返工喷丸处理。使用上述3种类型设备时，其弹丸流方向与零件表面法线方向之间的夹角均应小于45°。固定式喷丸设备必须具备从弹丸源中剔除破碎或变形弹丸的能力。

3.4 喷丸工艺规程及注意事项

对零件喷丸前，应先在废料上试喷，以对弹丸进行预处理，去除其尖锐的棱角，并用阿尔名试片来验证喷丸强度是否在所规定的范围内。弹丸必须呈球形，符合规定规格的弹丸数量应占总量的80%以上。

对零件喷丸前，零件应完成热处理、无损检测、尺寸检查和表面光洁度测量以及硬度测试等所有工序。零件表面有涂层的，应在喷丸前将其退去，并按工艺规范进行清洗，务必清除表面的灰尘、油污、腐蚀物等。

对零件喷丸时，应按工艺规范要求检查喷丸强度和弹丸尺寸的均匀性，确保工艺参数的稳定性。应采用阿尔名试片来测量喷丸强度。为确保获取100%的覆盖率，采用10倍放大镜来进行目视检查。

对零件喷丸时，由于弹丸的磨损和破碎，往往需要更换或补充新弹丸，这样就出现了新旧弹丸搭配使用的比例问题。若使用铸铁或玻璃弹丸，可以直接向喷丸机内补充新弹丸；若使用钢丝切割的钢弹丸，应严格控制带尖棱角的新弹丸的加入量，以保证合格弹丸的数量不少于80%。

对零件喷丸后，零件应按工艺规范要求进行防锈和防止物理损伤保护，经喷丸处理的铝零件，所能承受的最高温度是225°F。喷丸后的零件不允许用机械方法校形。强化零件在以后的加工工序中如需要热处理，为最大限度发挥残余压应力的有利作用，在一般情况下，对铝合金加热温度不应超过100°C，以防止表面残余压应力出现大幅度的松弛。强化后的零件表面需进行磨削或切削加工时，在一般情况下，切削深度不应超过0.02～0.05mm（具体的深度视喷丸强度酌情规定）。

3.5 补加工

如果必须从喷丸处理过的零件上取出部分材料，则应遵守以下规定。

对于铝合金，从零件表面上可去除的材料量最多可达阿尔名A试片弧高度的10%或阿尔名N试片弧高度的3%，例如喷丸强度为0.010A的低强度零件，允许去除的最大材料为0.001inch；

若缺陷的光饰打磨深度超出规定的限度，则应对该部位重新喷丸。重新喷丸时，可采用装在气钻上的旋转翼片轮手提式设备。经翼片轮重新喷丸处理的零件，可去除的材料量达阿尔名试片弧高度的8%或0.0005inch，视材料而定。不得进行诸如校形、磨削、侵蚀（不包括清洗和阳极化处理）以及会降低或消除喷丸压应力甚至产生有害应力的所有其他操作。

3.6 其他

喷丸工艺中经常采用以下有特定含义的一些术语：

阿尔名试片——用来检测喷丸强度的一种金属平板料。

阿尔名试片的弧高度——在阿尔名试片的一侧进行喷丸时所产生的弧高度增量，所用测量单位为0.001inch，弧高度与喷丸强度呈正比。

压坑——由各个撞击金属表面的弹丸所形成的局部小坑。

喷丸强度——衡量弹丸撞击能量的一种尺度。

饱和状态——表示喷丸时间增加100%而喷丸强度的提高量等于或小于10%这样的一种状态。

100%覆盖率——表示在整个零件表面上获取均匀且互相搭叠压坑的一种状态。

参考文献

[1] 杜洪增.飞机结构疲劳强度与断裂分析[M].北京：中国民航出版社，1996.

[2] 费衡甫.麦道飞机联络工程手册[M].北京：航空工业出版社，1997.