喷丸强化对新型7055-T7751铝合金疲劳性能的影响

李 鹏，刘道新，关艳英，成书民，赵远兴，曹 亮，李 欢

（1.西北工业大学腐蚀与防护研究所，西安710072；2.中航飞机股份有限公司西安飞机分公司，西安710089）

0 引 言

7055-T7751新型超高强度铝合金是在7075铝合金的基础上进一步控制铁、硅两种有害元素的含量发展起来的，与传统的7150和7075铝合金相比［1］，具有更高的比强度，更好的断裂韧性、抗应力腐蚀开裂性能和疲劳性能，因而成为现代先进飞机结构件的主要材料。疲劳破坏是飞机重要承力结构件的主要失效形式，没有进行一定处理的7055-T7751铝合金的疲劳抗力还难以满足现代飞机高性能、长寿命、高可靠性等的设计要求。

金属材料的疲劳抗力与其表面粗糙度、表面残余应力、显微组织、硬度及损伤状况等密切相关［2］。喷丸强化（SP）能通过引入表面残余压应力和一定程度的表面加工硬化等有效提高金属零部件的疲劳抗力［3-4］。但喷丸过程同时也会造成表面粗糙度增大，甚至导致表面开裂、脱层等表面损伤，损害了金属材料的表面完整性，不利于疲劳性能的改善。因此，如何充分发挥SP的有利因素，降低SP的不利因素，是有效利用SP技术改善铝合金疲劳性能的关键。喷丸强度和覆盖率是喷丸处理过程中影响材料表面完整性及疲劳抗力的主要工艺参数，但是对于不同的金属材料，它们的影响规律不同，而且二者之间还存在较为复杂的交互作用。生产上往往认为喷丸强度和覆盖率越高其效果越好，或者不顾零部件材料的个性特点盲目照搬其它相关标准给定的参数。近年来，法国Zirpro等公司开发的陶瓷丸具有硬度高、破碎率低、不污染铝合金材料等特点，与传统铸钢丸和玻璃丸相比，在铝合金表面强化方面优势突出。对于7055铝合金的喷丸强化虽有相关研究报道，但是对于新型陶瓷丸喷丸强化影响7055铝合金表面完整性及疲劳性能的规律和作用机制尚不清晰。为此，根据航空工业应用的需求，作者以7055-T7751新型超高强度铝合金为对象，研究了陶瓷丸喷丸强化对铝合金疲劳抗力的影响规律［5-6］，并探讨了其作用机制，为铝合金的喷丸强化提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用7055-T7751铝合金为进口材料，其化学成分见表1，室温下其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为606，578MPa和9%。热处理工艺为T7751，属于特殊时效工艺技术，是美国Alcoa的专利。

表1 7055-T7751铝合金化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of 7055-T7751 aluminum alloy（mass） %

疲劳试样的尺寸见图1，表面完整性分析试样尺寸为30mm×30mm×10mm。

图1 疲劳试样的尺寸Fig.1 Size of fatigue specimen

试样表面喷丸强化处理采用MP4000型数控气动式喷丸强化设备，参照生产经验及有关资料选择的喷丸处理工艺参数如表2所示，弹丸选用进口AZB210陶瓷丸。机械加工后喷丸试样用1000＃砂纸打磨至图1所示尺寸，而后参照HB/Z26-2011《航空零件喷丸强化工艺》统一对试样进行倒角处理。

表2 7055-T7751铝合金的喷丸处理工艺参数Tab.2 7055-T7751aluminum alloy shot peening process parameters

1.2 试验方法

采用XSTRESS-3000型X射线应力测试仪，并结合化学剥层的办法测喷丸强化后铝合金试样表面残余应力场沿深度的分布，测试时采用侧倾法，扫描方式为固定ψ角法，ψ角分别取 0°，30°，-30°，45°，-45°，选择半高宽法定峰，选用铬靶（Kα）辐射，管电压为35kV，管电流为20mA。

采用HV-1000型显微硬度计，测试样表面硬度，选用Knoop压头，载荷为0.245N，保载时间20s，同一层深处测5次，取平均值。

利用TR-300型表面轮廓仪测试样的表面粗糙度，结果取3个测试点平均值。利用HITACHI S-570型扫描电子显微镜（SEM）观察分析喷丸试样的表面形态特征及损伤状况。

利用PLG-100型高频疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉加载方式，加载波形为正弦波形，应力比R为0.1，载荷幅值为30MPa，频率为150Hz，室温下进行。采用QUANTA 600型扫描电子显微镜（SEM）对疲劳断口进行观察分析。

2 试验结果与讨论

2.1 喷丸强化对表面粗糙度与表面形貌的影响

由表3可以看到，喷丸处理使7055-T7751铝合金的表面粗糙度增加，相同喷丸覆盖率条件下，随喷丸强度的增加铝合金表面粗糙度也增大，这是因为喷丸强度越高，弹丸速度越快，能量越高，冲击材料表面所造成的丸坑越深的缘故。对比相同喷丸强度、不同覆盖率的SP2与SP4试样表面状态可以发现，高覆盖率（200%）的SP4试样的表面粗糙度反而略小于低覆盖率（100%）的SP2试样的，究其原因在于喷丸覆盖率超过100%以后，喷丸过程会对前期形成的丸坑有一定的修复整平作用［6］。

表3 不同7055-T7751铝合金试样的表面粗糙度和疲劳寿命Tab.3 Surface roughnesses and fatigue lives of different 7055-T7751Al alloy specimens

由图2可以看到，未经喷丸处理的7055-T7751铝合金基材表面有轻微的抛光磨痕；喷丸处理后，铝合金表面出现了不同深度和大小的丸坑，且随着喷丸强度的增大，弹丸撞击铝合金表面的能量增大，故弹丸坑尺寸（深度和口径）增大，弹丸坑周围塑性流变增强，同时局部脱层和皱褶突出。而喷丸覆盖率提高后，铝合金表面丸坑尺寸变化不明显，而局部脱层和皱褶程度增大，即损伤情况有所增加。

图2 不同7055-T7751铝合金试样表面的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of the surface of 7055-T7751aluminum alloy base metal（a）and specimens after different SP treatments（b-e）

2.2 喷丸强化对表面残余应力的影响

图3 不同7055-T7751铝合金试样表层残余应力分布Fig.3 Residual stress distribution in the surface of different 7055-T7751Al alloy specimens

由图3可以看到，喷丸强化能够在7055铝合金表面引入数值较高、呈梯度分布的残余压应力场。随着喷丸强度的提高，铝合金表面残余压应力有所减小，而次表层的最大残余应力有所增大。原因在于随着喷丸强度的增加，弹丸对材料表面冲击能量增大，使铝合金表层塑性变形程度增加，而喷丸引入的残余压应力是表层塑性变形受内部弹性变形约束的结果，因此喷丸强度提高，次表层能够获得更大数值的残余压应力，但是喷丸强度过大会造成表面损伤（脱层或开裂）程度的提高，表面残余压应力会发生一定的松弛，故喷丸强度进一步增大会导致表面残余压应力数值有所减小。对比SP2与SP4试样可知，随喷丸处理覆盖率增大，铝合金表面残余压应力数值也增大，而次表层最大残余压应力以及分布深度则有所减小。这是由于在喷丸覆盖率超过100%以后的喷丸过程中，弹丸对前期喷丸层重新撞击，导致过喷丸，表面损伤程度增大，使铝合金表层残余应力发生一定的松弛现象，不利于疲劳性能的有效改善。

2.3 喷丸强化对表面硬度分布的影响

由图4可以看到，喷丸处理使7055铝合金试样表面硬度增大，硬度沿层深呈梯度变化，最大硬化层深度在100～140μm。在覆盖率为100%的条件下，随着喷丸强度增加，表面硬度呈先增大后降低的变化规律。由于喷丸强度提高，陶瓷丸撞击铝合金表面的能量增大，陶瓷弹丸对铝合金表面撞击造成的加工硬化层深会有所增大，故表面硬度及硬化层深度增大；然而，过高强度的喷丸处理导致加工硬化后又出现软化的现象，因此硬度降低。另外硬度的降低与表面的损伤程度增大也有直接的关系，这对铝合金的疲劳性能显然是不利的。

图4 不同7055-T7751铝合金试样表层显微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution in the surface of different 7055-T7751Al alloy specimens

2.4 喷丸强化对疲劳寿命的影响

由表3还可以看到，与7055-T7751铝合金基材相比，低强度喷丸处理SP1试样的疲劳寿命提高了1.2倍，中等强度喷丸处理SP2试样的疲劳寿命提高了1.7倍，而高强度喷丸处理SP3试样的疲劳寿命降低了50%。在最有效的中等强度喷丸条件下，提高喷丸覆盖率（SP4试样），铝合金的疲劳寿命不仅未进一步提高，反而有所降低（SP4试样的疲劳寿命比SP2试样的低13.8%）。由此可见，无论喷丸强度过高，还是喷丸覆盖率过高，均不能达到最有效地改善7055-T7751铝合金疲劳性能的目的，反而造成过喷丸的不利影响。原因是喷丸处理时，过高的喷丸强度或覆盖率条件下，铝合金不能获得良好的表面完整性，甚至出现表面脱层或开裂损伤，造成表面缺口效应和应力集中，导致疲劳性能变差。因此，较佳喷丸工艺参数为喷丸强度0.15mm，覆盖率100%。

从图5可以看到，7055-T7751铝合金基材疲劳裂纹萌生于表面，呈现放射状条纹，位于断口平坦区；经喷丸处理后（以SP2试样为例），疲劳裂纹源已经移到表面下，这显然是由于喷丸引入的表面残余压应力的影响造成的。

图5 不同7055-T7751铝合金试样疲劳断口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fatigue fracture of base metal（a）and SP2（b）of 7055-T7751Al alloy

综上所述，7055-T7751铝合金经合适工艺参数喷丸强化后其疲劳性能可以得到明显的提高。而喷丸强化对7055-T7751铝合金疲劳抗力的提高除了归因于残余压应力的产生，还要归因于表面完整性的改善。喷丸强化在7055-T7751铝合金表面引入的残余压应力沿层深呈现出梯度变化规律，因而可以十分有效地抵消外加疲劳载荷，抑制和延缓表面疲劳裂纹的萌生及早期扩展［7-9］，并使得材料表面裂纹源向次表层转移（图5所示），而材料的内部疲劳极限高于表面疲劳极限［10-12］，进而有效提高了7055-T7751铝合金的疲劳抗力。喷丸后7055-T7751铝合金表层硬度增大，这是因为喷丸强化使金属表层晶粒细化，位错密度增大，达到冷作硬化作用。喷丸强化层内晶粒细化及晶格畸变程度的提高，将金属在疲劳交变载荷作用下发生的滑移阻止在应变层与基体界面处，阻碍疲劳裂纹在材料表面萌生，从而延长了疲劳裂纹的萌生时间，因而也有利于7055-T7751铝合金疲劳寿命的提高。

3 结 论

（1）合理参数的陶瓷丸喷丸强化处理能够在7055-T7751铝合金表面引入梯度分布的残余压应力场，并造成合理层深的加工硬化，有利于提高合金的疲劳性能；喷丸强度过高或覆盖率过大，会造成合金表面粗糙度过高或表面损伤过严重，导致表面缺口效应和应力集中效应增强，不利于合金的表面完整性和疲劳性能改善。

（2）7055-T7751铝合金陶瓷喷丸强化的较佳工艺参数为喷丸强度0.15mm，喷丸覆盖率100%，经此工艺处理后该铝合金的疲劳寿命提高了1.7倍。

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