先进喷丸表面改性技术研究进展

黄志超，吕世亮，谢春辉，卢能芝

(华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，南昌 330013)

金属材料的主要失效形式是疲劳和腐蚀，而疲劳和腐蚀均始于材料表面，因此，金属材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能.喷丸强化技术是一种效果卓著的金属零构件表面变形强化工艺.喷丸强化处理使靶材获得残余压应力和组织结构细化，因而抑制靶材表面萌生裂纹并减缓裂纹扩展，进而使金属零部件可以显著地提高其表象疲劳极限与防腐能力.喷丸强化工艺因其显著的优点在工程领域中得到日益深入的应用和发展.

1 微粒子喷丸

传统喷丸处理一方面赋予材料表面残余应力层和表面硬化层，抑制了疲劳裂纹的萌生并减缓裂纹的扩展，提高了材料表面的疲劳强度，另一方面使材料表面的粗糙度增加，影响材料表面疲劳强度的提高.机械加工业的不断发展，对材料表面性能提出了越来越高的要求，人们希望材料在提高表面疲劳强度的同时降低其表面的粗糙度.近期开发的微粒子喷丸工艺与传统喷丸工艺相比，既能赋予材料表面更高的残余压应力，又能有效地降低材料表面的粗糙度，进一步提高了材料表面疲劳强度，且满足了对表面光洁度要求高的抗疲劳构件的使用要求.

表1比较了传统喷丸强化与微粒子喷丸在喷丸方式、残余压应力、表面粗糙度等方面的特性.

表1 微粒子喷丸与传统喷丸的性能比较［1］

张继旺等［2］采用直径(100 μm)的钢丸和陶瓷丸两种微粒子对中碳钢进行喷丸强化处理，研究发现，与喷丸前砂轮研磨试样的表面粗糙度(6.332 μm)相比，钢丸、陶瓷丸两种微粒子喷丸后试样表面的粗糙度分别为5.502和4.879 μm，比传统喷丸处理后的粗糙度明显偏小，对两种微粒子喷丸试件和未喷丸试件进行疲劳试验，得出钢丸和陶瓷丸微粒子喷丸试样的疲劳极限分别提高到350和320 MPa.文献［3］对Cr-Mo钢分别采用微粒子和传统两种喷丸方式，针对材料表面产生残余压应力在疲劳过程中的松弛程度进行对比，结果表明，微粒子喷丸强化的试样，残余压应力松弛程度低于传统喷丸强化的试样.

微粒子喷丸处理在抗疲劳性能、耐磨性和降低摩擦等方面带来的效果非常显著［4］，并可广泛用于汽车零部件及各种切削工具和模具的加工，明显延长它们的使用寿命.

2 激光喷丸

激光喷丸(LSP)，或激光冲击，是利用高功率密度(GW/cm2)、短脉冲(ns)激光束照射金属时产生高强度冲击波，作用在材料表面并形成数百个兆帕的残余压应力，从而改善材料的性能，目前已被广泛应用于材料表面改性的研究中［5］，激光喷丸原理如图1所示.

图1 激光喷丸原理图

与传统机械喷丸相比，激光冲击强化技术具有显著的特点，具体包括:1)冲击压力高，使得金属工件形成高的残余应力影响层，是普通喷丸的5～10倍［6］;2)可精确定位，能够加工传统工艺不能处理的部位，尤其适合对小孔、倒角和沟槽等部位进行强化;3)成形后的工件表面质量高;4)无热应力损伤.

目前，国外已实现激光冲击强化的工程应用，利用激光对涡轮风扇叶片、B-1轰炸机F101机的叶片、F-16战斗机的叶片以及波音777民用飞机的叶片进行冲击强化处理，研究表明，叶片的维修成本大大降低，取得了显著的强化效果和工程价值.而国内的研究主要以材料试验为主，江苏大学周建忠等［7］对含初始裂纹的6061-T6铝合金CT疲劳试样进行激光喷丸强化处理，得出激光喷丸强化诱导的残余压应力场使外加拉应力或裂纹尖端应力强度因子降低，有效减缓了裂纹扩展速率，疲劳寿命提高了64.4%.鲁金忠等［8］对 Ti6A14V钛合金电子束焊缝激光冲击强化处理，焊缝区域的残余应力从91 MPa(拉应力)转变为-230 MPa(压应力)，由于残余压应力的存在，引起裂纹的闭合效应，因此，延长了焊接件的疲劳寿命.

激光喷丸技术能够提高工业中常用钢及合金钢，包括粉末金属复合材料，铸铁、镍基高温合金，钛及钛合金材料的疲劳寿命、耐磨性、耐腐蚀性，因此，在航空航天、汽车工业等领域具有巨大的应用前景，相关学者对激光喷丸进行了长时间研究，但大多数还仍处于实验性研究，要使激光喷丸强化技术作为一种成熟的工艺在实际工程中得到广泛应用，目前还需要解决如下问题.

1)发展高性能激光冲击装置的研发，包括装置的小型化、高重复频率以及输出脉冲能量的稳定性.

2)需要研究适用于工程应用的集涂层与约束层于一体的柔性贴膜.目前国内涂层通常采用特种黑漆，在喷涂后需要等待其固化，加之黑漆涂层易破坏，无法多次冲击，生产效率低下.

3)完善强化工艺参数.采用试验方法和有限元技术完善工艺参数库，针对不同材料采取不同的激光能量、涂层厚度等参数使强化效果达到最佳.

3 超声/高能喷丸

图2为超声喷丸/高能喷丸结构示意图，工作原理为［9］:工作时，整个设备的容器作上下振动，弹丸朝各个方向以不同的速度冲击试样的表面.弹丸的每次冲击都使试样与弹丸相接触的局部区域内发生一定量的塑性变形，强化一段时间后，试样的表面将产生不同程度的塑性变形，从而获取了一定深度的纳米层.当设备的振动频率为30 kHz，弹丸的粒径较小(如0.1～1.8 mm)，弹丸冲击时的速度为120 m/s时称为超声喷丸(USSP)，降低工作时设备振动频率，采用2 kHz的中频或30 Hz的低频甚至更低的频率时，可选用较大粒径的弹丸(如10 mm)称为高能喷丸(HESP).

图2 超声/高能喷丸原理图

与普通喷丸相比，超声/高能喷丸强化能够获得更大的残余压应力和硬化层深度，且可显著提高疲劳强度.超声/高能喷丸强化过程中涉及到的参数少、受控因素少且可精确控制，适当调整参数，喷丸后材料表面易实现纳米化，目前已在铜、不锈钢、纯钛、铁和低碳钢等表面制备纳米尺寸晶粒.

目前利用超声喷丸/高能喷丸强化技术的研究主要集中在两个方面:一是对超声/高能喷丸实现材料表面纳米化机理的研究.韩靖等［10］对0Cr18Ni9Ti不锈钢棒材端面采用高能喷丸，成功制备出纳米结构的表面层，并得出晶粒细化机理，文献［11］指出，对于不同结构的材料，表面纳米化行为存在差异，对于bcc结构的工业纯铁和低碳钢等材料的纳米化主要取决于位错的发展，而fcc结构的316不锈钢等材料的纳米化除与位错相关外，还与孪生和层错密切相关.另一方面是对超声/高能喷丸处理后的试样表面性能的研究.张新华等［12］采用普通喷丸与超声喷丸对7075-T651铝合金进行处理，分析得出超声喷丸引入的最大残余压应力较普通喷丸增大31.9%，超声喷丸处理后的表面硬化程度略高，材料表面粗糙度也仅为普通喷丸试件的35.5% ，李东等［13］采用高能喷丸技术对SS400钢焊接接头的表面进行处理，成功地在焊接处的表层制备出组织均匀的纳米层，实现了焊接接头表层组织均一纳米化，解决了焊接接头表面层组织与性能的不均匀性，同时焊接接头母材、HAZ、焊缝的3个区域表层显微硬度远高于高能喷丸前，实现了焊接接头表层硬度的均一化，且提高了焊接接头的疲劳强度.

金属材料表面纳米化可以使其表面的机械性能和化学性能得到不同程度的改善.1)力学性能:材料表面硬度、强度、疲劳性能得到显著提高.2)扩散性能.超声高能喷丸通过塑性变形在金属表层形成的纳米晶，晶体中缺陷可作为原子的快速扩散通道.卑多慧、吕坚等［14］对低碳钢试样进行表面超声喷丸纳米化处理，得出超声喷丸纳米化预处理可以明显提高渗氮速度，降低渗氮温度.3)稳定性能和热腐蚀性能.胡兰青等［15］通过高能喷丸获得纳米晶粒具有一定的热稳定性.

4 高压水射流

20世纪 80 年代末，ZAFRED［16］首次提出了利用高压水射流对金属表面喷丸强化的思想，从而开始了高压水射流喷丸强化技术的研究.高压水射流喷丸技术和传统喷丸技术具有相似之处.高压水射流喷丸强化的基本原理是喷嘴垂直于材料表面，并在表面平行移动，将携带高能量的高压水以某种特定的方式高速喷射到金属材料表面上，在材料表层产生具有一定厚度的强化层，使其强化层拥有理想的组织结构和应力分布，它的实质是冷作硬化.

图3 高压水射流喷丸对材料的强化

高压纯水射流喷丸技术［17］是水射流喷丸中出现最早的，取得实验性研究结果也是最多的.目前，国内外的高压脉冲水射流强化技术主要是通过利用电液压效应产生的电液压脉冲水射流来强化零件.国内裴江红等［18］利用电液压脉冲水气射流CrWMn钢制造的冲头(利用摩托车的链轮)进行对比试验，得出电液压脉冲水气射流强化CrWMn零件的良好效果.空化水射流的技术研究主要集中在国外，SOYAMA等［19］利用空化水射流喷丸技术对不锈钢和铝合金进行试验，得出喷丸试样表面疲劳强度比未喷丸提高了20%～50%.AROLA［20-21］等采用后混合水射流分别对不锈钢、钛合金和纯钛进行喷丸强化，得到了表面残余压应力随喷丸参数的变化规律，在最佳喷丸条件下可使Ti6A14V钛合金的疲劳强度提高25%.董星等［22］采用前混合水射流分别对2A11铝合金和45钢进行喷丸试验，研究发现，喷丸强化后在材料表层引入一定的残余压应力，使外部施加的应力与表层压应力合成的“有效拉应力”降低，由于合成的“最大有效拉应力”可能不在材料表面而在近表层，裂纹在材料内部萌生需要更长的萌生周期，因此，对于喷丸强化后的2A11铝合金，是未喷丸疲劳寿命的25.31倍，对于45钢，是未喷丸疲劳寿命的18.56倍.

虽然高压水射流喷丸的质量要优于传统喷丸，但高压水射流喷丸强化技术的研究还处于初级阶段，尚有许多问题亟待解决:1)在国内，其强化机理及理论的研究还相对较薄弱;2)针对不同材料，其优化的强化工艺参数还远远不够;3)目前存在并使用的水射流喷丸强化设备还存在较多的问题，需要研发更智能新型的水射流强化设备.

5 复合喷丸

目前的喷丸处理主要采用单一喷丸强化，而复合喷丸是指一个零件先后受2～3种以上的弹丸喷射或采用2～3种不同的喷丸强化方法进行喷丸强化，目前对高能-传统，激光-机械复合喷丸已有研究.

表面剧烈塑性变形是一种实现材料表面纳米化的重要方法［23］，这种方法已经被应用于提高金属材料的疲劳性能.有研究表明［24］，高能喷丸使纯钛表层形成纳米晶组织，可有效地提高工业纯钛的疲劳强度，但高能喷丸后也会导致纯钛表面变的粗糙，产生损伤等缺陷，这些因素引起的应力集中会弱化高能喷丸对纯钛疲劳强度的提高.考虑到大粒径的弹丸容易增大表面粗糙度和造成表面损伤，研究者提出了复合高能喷丸强化的方法，即先采用大粒径弹丸进行高能喷丸使纯钛表面产生一定深度的纳米层和残余应力层;再用小粒径弹丸进行普通喷丸，以降低表面粗糙度和修复损伤的表面，进一步提高纳米层的质量.

激光喷丸形成的应力波似平面波，平面波造成的应力影响层较深，机械喷丸所形成的应力波为球面波，球面波能产生较大残余压应力.采用激光-机械复合喷丸工艺的方式能够获得较大的残余压应力和较深的残余压应力.文献［25］研究了两种喷丸工艺的复合喷丸强化工艺对残余应力场的影响，得出采用激光-机械复合喷丸强化工艺时，获得了较深的应力影响层和较高的残余压应力，应力影响层深度是机械喷丸工艺的3倍，最大残余压应力可达到屈服强度的1.2倍.

6 各种喷丸技术的比较

1)微粒子喷丸较传统喷丸表面粗糙度得到很大改善，但其表面硬化程度较低，残余应力层深度相对较浅，且不能实现材料表面的纳米化.

2)激光喷丸各方面性能都比较好，但其投资金额偏高，目前既能达到工业需求(高激光能量、高重复频率)又能满足经济承受能力的激光器还较少.

3)超声/高能喷丸都能实现材料的表面纳米化、降低渗碳渗氮温度，可以将渗碳、渗氮与喷丸复合起来实现复合表面强化技术.但高能喷丸会导致材料表面粗糙度提高，因此，超声喷丸是个不错的选择.

4)目前对高压水射流喷丸研究比较浅，总体性能优于传统喷丸，喷丸后材料应力集中小，且绿色环保，随着研究的进一步深入，水射流喷丸技术有望获得较好的应用前景.

5)复合喷丸综合性能好，综合了各种喷丸的优点，如高能-微粒复合喷丸，既实现了材料表面纳米化又降低了表面的粗糙，激光-机械复合喷丸避免了激光喷丸的高成本，复合喷丸也是不错的选择，应大力发展复合喷丸方面的研究工作.

表2 各种喷丸强化技术的比较

7 结语

随着现代工业的迅猛发展，对机械产品表面的性能要求越来越高，改善材料表面性能，可以有效地提高零件的使用寿命，节约资源，减少环境污染.伴随着微粒子喷丸、激光喷丸、超声/高能喷丸、高压水射流喷丸等先进喷丸技术的出现，将大大扩展喷丸技术的应用领域和范围，不再局限于机械行业，在生物材料处理、医学抗菌、光催化等领域也显示出良好的应用前景.但要让各种先进喷丸技术作为一种成熟工艺在实际工程得到广泛应用，还应重点开展如下几方面的研究工作.

1)加强喷丸强化过程的系统理论研究.目前喷丸强化处理主要以经验方法为主，应加强对单一喷丸和复合喷丸的强化机理、最优工艺参数、强化效果的量化研究，特别是残余压应力场的稳定性和松弛规律的研究.

2)复合应用两种或多种表面技术，可以起到“1+1＞2”的协同效果［26］.发展喷丸与其他表面工程技术的复合表面工程技术，目前已开发的有热喷涂与喷丸强化，表面渗碳、渗氮与喷丸强化复合表面工程技术，都取得了很好的效果.

3)加强喷丸设备的研制，实现喷丸全过程的自动化.目前还很难把握弹丸流与金属靶材的作用过程，急需一种能够在线观测和控制强化过程的设备.

［1］HARADA Y，FUKAURA K，HAGA S.Influence of microshot peening on surface layer characteristics of structural steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，191:297-301.

［2］张继旺，鲁连涛，张卫华.微粒子喷丸中碳钢疲劳性能分析［J］.金属学报，2009，45(11):1378-1383.

［3］YONEKURA D，NODA J，KOMOTORI J，et al.The fatigue properties of ferrite-pearlite steel modified by WPC process［C］//Trans JSME，2001;67:1155-1167.

［4］ZHANG J W，LU L T，ZHANG W H，et al.Analysis on fatigue property of microshot peened railway axle steel［J］.Materials Science and Engineering A，2011:1615-1622.

［5］张永康.激光冲击强化提高航空铝合金的抗疲劳性能［D］.南京:南京航空航天大学，1995.

［6］PARKER A.Shocked and stressed.metals get stronger［J］.Science＆ Technology Review，2001(3):26-28.

［7］周建忠，王程栋，黄舒，等.6061-T6铝合金紧凑拉伸试样激光喷丸强化后的疲劳裂纹扩展性能研究［J］.中国激光，2011，38(7):1-6.

［8］鲁金忠，张永康，钱小明，等.激光处理对 Ti6A14V焊缝表面应力状况的影响［J］.北京航空航天大学学报，2007，33(7):869-872.

［9］TAO R N，WANG Z B，TONG W P，et al.An investigation of surface nanocrystallization mechanism in Fe by surface mechanical attrition treatment［J］.Acta Mater，2002，50:4603-4616.

［10］韩靖，盛光敏，胡国雄.高能喷丸0Cr18Ni9Ti不锈钢自纳米化机理［J］.中南大学学报(自然科学版)，2009，40(3):644-649.

［11］刘刚，雍兴平，卢柯.金属材料表面纳米化的研究现状［J］.中国表面工程，2001，(3):1-6.

［12］张新华，曾元松，王东坡.超声喷丸强化7075-T651铝合金表面性能研究［J］.航空制造技术，2008，(13):78-90.

［13］李东，陈怀宁，刘刚，等.SS400钢焊接接头表层组织纳米均一化及硬度均一化处理［J］.金属学报，2001，37(9):980-984.

［14］卑多慧，吕坚，顾剑锋，等.表面纳米化预处理对低碳钢气体渗碳行为的影响［J］.材料热处理学报，2002，23(1):19-25.

［15］胡兰青，马晋芳，许并社.Al-Zn-Mg合金的表面纳米晶化及其热稳定性研究［J］.材料热处理学报，2007，28:342-347.

［16］ZAFRED P R.High pressure water shot peening［P］.European Patent Specification:0218354B1，1990.

［17］董星，段雄.高压水射流喷丸强化技术［J］.表面技术，2004，34(1):48-49.

［18］裴江红，唐川林，张凤华，等.电液压脉冲水气射流强化金属表面性能的机理及实验研究［J］.表面技术，2007，36(3):67-69.

［19］HITOSHI Soyama.Marked peening effects by highspeed submerged-water-residual stress change on SUS304［J］.Journal of Jet Flow Engineering，1996，13:25-32.

［20］AROLA D，MCCAIN M L.Abrasive waterjet peening:A new method of surface preparation formetal orthopedic implants［J］.Biomed Mater Res:Appl Biomater，2000.53(5):536-546.

［21］AROLA D，MCCAIN M L.KUNAPORN S，et al.Waterjet and abrasive waterjet surface treatment of titanium:A comparison of surface texture and residual stress［J］.Wear，2002，249:943-950.

［22］董星，郭睿智，段雄.前混合水射流喷丸强化表面力学特性及疲劳寿命试验［J］.机械工程学报，2011，47(14):164-170.

［23］LU K，LU J.Surface nanocrystallization(SNC)of metallic materials-presentation of the conceptbehind a new approach ［J］.Mater Sci Technol，1999，15(3):193-197

［24］温爱玲，王生武，杨军永.采用复合高能喷丸提高工业纯钛的疲劳性能［J］.机械工程材料，2010，34(1):55-58.

［25］胡正云，李满福，谢兰生.TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟［J］.航空材料学报，2013，33(4):37-42.

［26］徐滨士.再制造工程与自动化表面工程技术［J］.金属热处理，2008，33(1):9-14.