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企业新闻

浅析喷丸处理技术的应用及其发展

发布时间:2020.10.21    点击数: 1344

       喷丸强化可改善金属材料的抗疲劳性能及耐腐蚀性能,提高其使用寿命。近年来,新型喷丸技术获得了较大的发展和应用,如微粒冲击、激光喷丸、超声喷丸、高压水射流和复合表面喷丸在各领域有着不同的应用。然而,对喷丸理论的研究、喷丸工艺设备研制方面尚未成熟。以下对传统及新型喷丸技术进行了综述,以期为促进喷丸强化技术的开发和应用提供参考。

1、传统喷丸技术

目前,国内对传统喷丸技术的研究主要有以下3个方面。

(1)基础研究  以塑性变形、位错及相变、残余应力及松弛、疲劳断裂、应力腐蚀和表面强化为基础理论,研究材料的疲劳性能和组织强化。TC4钛合金经喷丸处理后,表层的组织和亚结构细化,表层强变形区形成孪晶,从而产生了强烈的加工硬化效应。

0Cr13Ni8Mo2Al、303奥氏体不锈钢、Ti-10V-2Fe-3Al钛合金、TC18、TC21超高强度钛合金等作喷丸强化后其疲劳性能不同程度地得到提高,疲劳寿命也得以延长。不同初始残余应力状态、表层冷作程度和表面粗糙度的7075铝合金,在循环载荷下,较大的残余应力场分布也伴随着较强的表层冷作、塑性变形及表面缺口效应。

(2)特殊材料喷丸工艺参数的选择和确定  采用不同工艺参数(喷丸粒径、喷丸时间和强度)对A-100高强度钢进行喷丸强化,残余应力场分析结果表明,随着喷丸时间的延长,最大残余压应力的深度和强化层深度增大,表面残余压应力减小,较大直径和较大喷丸强度会加深强化层的深度。TC4钛合金经干湿2种喷丸处理后,表面产生不同程度的硬化,其中湿式喷丸在提高表面硬度和提高最大压缩残余应力方面更具有优势。但是,影响喷丸强化效果的工艺参数较多,试验分析缺少对各种喷丸参数下残余应力变化规律的系统研究,采用数值模拟分析可弥补这一缺点。

(3)应用范围的拓宽  目前,喷丸强化的应用范围已经从传统的钛合金、铝合金零部件扩展到镁合金、粉末冶金等新材料,且喷丸强化不仅用于提高其疲劳寿命,同时还能使之发生塑性形变,实现表面纳米化。对ZK60镁合金和CW103K新型高强镁稀土合金喷丸处理可提高其疲劳性能,改善其疲劳断裂行为,并开发了与之配套的关键设备。对发生自蔓延反应的金属混合粉末涂层进行喷丸处理,得到了纳米表面涂层。

       一直以来,国外基础研究都注重考察喷丸对工件疲劳性能、表面硬度和耐磨性的影响,以期获得稳定的工艺,拓展喷丸的应用范围。对航空用AISI4340钢材40CrNi2Mo高强度钢喷丸处理可用代替硬铬电镀提高耐疲劳性能;40CrNiMo钢经过喷丸处理之后,疲劳极限提高20%~30%。模拟手段来预测和解释喷丸参数对喷丸强化的影响方面也有相应的研究进展,通过建立新三维模型系统考察了喷丸参数控制对构件材料性能的影响,结果表明喷丸处理能提升铝合金等金属表面的疲劳性能和表面粗糙度,与试验研究结果相一致。将内聚力模型引入评价喷丸强化对疲劳裂纹增长的影响,模拟结果与试验结果一致,即裂纹萌生的位置和时间依赖于喷丸强度。然而,不同喷丸工艺的复杂性使得模拟计算的可靠度存在一定的问题。

       因此,目前也越来越注重试验和数值模拟的结合,以便控制工艺参数,使喷丸过程向着更有利的方向发展。

       虽然国内对喷丸工艺的改性及理论研究取得了一定进展,但对喷丸工艺参数系统控制的模拟研究比较薄弱,关键设备的研制投入较少,且自动化控制无法满足工业应用要求,所以与国外还有较大差距。

2、新型喷丸技术

2.1 微粒子喷丸

       微粒冲击方法所使用的喷丸粒径较小(0.2mm以下),冲击速度快,处理后工件表面硬度增加的幅度大,表面粗糙度减小,可使工件耐磨性得到显著提高,从而延长被加工工件的使用寿命。该技术被广泛应用在机械部件、切削工具、模具等领域。对100μm钢球和陶瓷进行喷丸处理,其疲劳极限分别提高了35%和23%。先用微粒冲击使微粒子镶嵌于基体中形成复合表面,再换用Sn,Ag和MoS2等软质金属微粒或具有固体润滑特性的微粒实施二次冲击,在硬质微粒复合表面产生了厚达几微米的镀膜层,达到了降低基材摩擦系数的目的。然而,微粒子喷丸技术的推广具有一定的困难,因为其关键设备的喷嘴还处于研制阶段,微粒子粒度也很难保持一致。

2.2 激光喷丸

      相比于传统喷丸,激光喷丸形成的残余压应力层更深,其稳定性和一致性都更好,可使同一零部件上的不同区域达到不同的抗疲劳性能。它可以和其他强化技术配合使用,对普通热处理工件存在的“软点”补充强化。国外采用激光喷丸处理形成的残余应力能达到材料抗拉强度的60%,而国内的激光喷丸工艺和设备仅限于试验阶段,缺乏相应的工艺和技术标准,激光器的峰值功率水平不高,控制和检测技术也不成熟,这些都限制了激光喷丸工艺的应用和快速发展。

2.3 超声喷丸

       相比激光喷丸,超声喷丸因超声波的普及及其设备造价较低,在国内的应用领域较为广阔,超声喷丸强化形成的硬化层深度也比机械喷丸的深,能产生较大的残余应力值,金属材料表面获得厚度达几十微米的纳米层。对7075-T651铝合金超声喷丸,所形成的压缩残余应力最大值为-217.3MPa,比普通喷丸增大了31.9%。对321不锈钢进行超声喷丸后,其表层产生了厚约10nm的纳米层,有利于提高表面硬度,改善表面性能。目前,超声喷丸的实际应用取得了一定的进步,且试验性研究积累了一定的研究成果,但一些关键的问题还没有得到解决,如金属材料在超声喷丸过程中的力学理论模型及动态响应、超声喷丸参数对喷丸效果的影响和对喷丸过程进行模拟时模型的精确建立等问题。

2.4 高压水喷丸

       对铝合金、硅锰合金和碳钢等进行高压水喷丸或气穴无弹丸喷丸,其疲劳强度比传统喷丸强化提高了4%~36%。该技术弥补了其他新型喷丸技术的设备昂贵等问题,水介质和动力源来源广泛,能耗和成本低,生产效率高,应用前景广阔。然而,目前对于高压水喷丸技术相关的理论研究还不够深入和完善,且在国内的研究较少。因此,进一步研究该技术的微观作用机理,提高强化和成形的效率,加强设备研制是下一步需要开展的工作。

2.5 复合喷丸及再次喷丸

      单一表面强化技术因其设备和条件的限制都有其特定的适用范围,限制了实际应用范围。复合喷丸强化技术通过协同效应可结合2种或者多种技术的优点,获得更优异的效果。一种基于激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性的方法和装置可改善熔覆层残余应力分布,降低表面粗糙度,提高其表面质量,延长使用寿命。

合适的再次喷丸周期可使TC18钛合金的总疲劳服役寿命提高75%。将渗碳淬火后的18CrNiMo7-6钢进行二次喷丸处理,在一次喷丸的基础上可进一步提高表面残余压应力,优化显微组织。

 

新型喷丸技术对设备要求高,特别是激光喷丸,价格昂贵,国内与国外研究相比还存在一定差距。

 

3、喷丸强化机理和模拟模型

       最早认为,喷丸过程中材料表层金属的形变本质为一循环应变疲劳过程,后来通过对高温疲劳强度与表面强化的关系的研究,提出喷丸强化机制中的“应力强化”和“组织强化”是2个最基本的强化因素。

       主要是通过对实际应用中材料的喷丸处理效果和喷丸强化因素的影响来分析喷丸强化机理。目前,对喷丸处理的研究较多地集中于个案工艺,且以经验方法为主,所以对其过程和效果的系统理论分析显得非常重要。较为简单的模型是解析型模型,其假设材料表现为线弹性或理想的弹塑性力学行为,通过合理简化工艺参数对喷丸过程进行一系列分析,提供丰富可靠的实验仿真依据,既能加快研究周期,又可大幅度降低研究成本。解析型模型可以揭示喷丸的过程,而运用有限元方法则能更直观清晰地表现整个喷丸过程,有些仿真分析结果与试验结果也有较好的吻合性。对单/多颗弹丸垂直撞击工件过程进行三维有限元模拟发现:单个弹丸过程的模拟是进行喷丸强化过程模拟的基础;多个弹丸撞击目标物体的过程模拟考虑了覆盖率的影响,更贴近实际喷丸过程;沙漏参数对喷丸过程的模拟结果影响较大。用数值法研究喷丸强度与残余应力的关联,再用有限元软件ABAQUS对喷丸零件表面进行数值模拟以探索对喷丸效果的仿真,进一步证实了喷丸对减弱疲劳裂纹萌生的作用。采用喷丸残余应力有限元分析、喷丸残余应力三维动力有限元分析及有限元软件ANSYS-LSDYNA对喷丸进行模拟计算,优化了喷丸工艺参数,模拟研究结果值得借鉴。然而,喷丸处理的物理过程本身是成千上万个弹丸随机地撞击零件的表面,通过零件表面局部残余应力的变化,逐步形成整个零件表面的强化,所以,喷丸处理过程的数值模拟一直是一个很难解决的技术难题。

4、展望

       目前,传统的喷丸技术在机械加工行业的广泛应用,大多是基于解决单个问题,缺少持续和共性技术的研发;新型喷丸技术,设备昂贵,条件较苛刻,其应用还需要提升。今后,应重点开展以下几方面的工作:(1)着重开发复合喷丸强化技术,如表面渗碳、渗氮与喷丸强化的复合,热喷涂与喷丸强化技术的复合等;(2)大力开拓喷丸技术新的应用方向,如通过新型喷丸工艺获得纳米涂层;(3)在加强理论研究的基础上加强新型喷丸处理技术设备的研制,实现对工艺过程及工艺参数的精确控制;(4)继续探讨各种条件下的强化机制,深入定量研究喷丸所产生的各种效应。

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