鋁合金超聲波噴丸成形制件表面完整性研究

史學剛 魯世紅 張 煒

1.南京航空航天大學，南京，210016 2.西安飛機工業集團公司，西安，710089

0 引言

超聲波噴丸是近年來提出的一種新型金屬板料成形和表面改性方法，其基本原理是利用撞針或彈丸的高頻（20kHz）撞擊，使板料發生塑性變形，同時在噴丸區域呈現高密度位錯和有益的殘余壓應力分布。超聲波噴丸能獲得更大的硬化層深度和最大壓應力值，同時具有容易實現自動化生產、成形工序簡單等優勢，因此在航空、航天、汽車等工業領域具有廣闊的應用前景［1］。然而，超聲波噴丸同時也會引起表面粗糙度的增大，甚至造成一定程度的表面損傷，這些因素對金屬材料的表面質量和壽命有不利影響。

到目前為止，超聲波噴丸成形技術在實際生產中仍然沒有得到廣泛應用，其中一個主要原因就是成形制件沒有獲得比較理想的表面完整性。國外學者對超聲波噴丸的表面完整性進行了一定程度的研究，也取得了一些研究成果：英國的An等［2］對AA2024－T351－T351超聲波噴丸后的材料表層特性進行了研究；烏克蘭的Mordyuk等［3］則對AISI 321超聲波噴丸后的表面特性及微觀組織演變進行了研究。

然而上述研究沒有綜合分析超聲波噴丸過程參數對表面完整性的影響，也沒有很好的針對性。針對該問題，本文以鋁合金數控超聲波噴丸成形制件為研究對象，研究超聲波噴丸過程參數對表面完整性的影響規律，獲得最佳的表面完整性，這對于超聲波噴丸成形應用于實際生產具有重要意義。

1 表面完整性

金屬零件表面與外界直接接觸，在外界應力作用下會發生一系列的物理和化學反應，而導致金屬零件失效的磨損和腐蝕也絕大部分發生在材料的表面，因此金屬零件整體強度高低或疲勞性能的優劣與表面完整性有著較為密切的關系，表面完整性的好壞是評定制造工藝是否先進的依據之一［4］。

表面完整性是指表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、殘余應力場和表面層微觀組織結構等內在表面狀態的完好程度。通過表面完整性的改善可以提高金屬材料的物理性能和機械性能［5］，而這些性能的提高要歸因于材料組織的細化、表面層的硬化以及殘余壓應力場的引入。超聲波噴丸能夠在試樣的表層引入劇烈的塑性變形使表層晶粒得以細化、微觀應變增大，位錯密度增大，從而使試樣的硬度和屈服強度增大，形成有利的殘余壓應力。而表面層的殘余壓應力場能夠有效提高材料的疲勞強度［6］。因此，較好的表面完整性有助于制件疲勞壽命、抗磨損和抗腐蝕性能的提高。

2 試驗條件

2.1 試驗設備

超聲波噴丸成形采用由南京航空航天大學自主研制的數控超聲波噴丸裝置（圖1）進行試驗。

利用MVC－1000A1型顯微硬度計對成形制件沿層深的顯微硬度進行測量，載荷選擇200g，載荷時間為15s；利用 MSF－3M型XRD殘余應力分析儀測定超聲波噴丸成形后試樣的殘余應力和半高寬，采用電解拋光的方法制備噴丸試樣的不同深度表面，以便測定噴丸試樣殘余應力沿深度的分布狀況；利用DM2000型光學工具測量顯微鏡觀察超聲波噴丸前后試樣的表面形態；利用TR101袖珍式表面粗糙度儀測定超聲波噴丸前后試樣的表面粗糙度Ra值。

圖1 超聲波噴丸裝置示意圖及在機床上裝夾

2.2 試驗材料

試驗材料采用AA2024－T351－T351。室溫20℃下該材料的力學性能如下：抗拉強度σb為470MPa，屈服強度σ0.2為325MPa，伸長率δ為10%，顯微硬度為170HV，彈性模量E 為68GPa，密度ρ為2770kg／m3。熱處理方式為固溶處理加自然時效處理。試樣尺寸為200mm×50mm×1.5mm。

2.3 試驗方法

數控超聲波噴丸過程參數如下：電流強度0～2.5A，撞針直徑分別為2mm、3mm、5mm，進給速度0～4000mm／min，超聲波噴丸成形軌跡間距分別為1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm。

按圖2所示的成形軌跡，采用控制變量法對鋁合金板料進行數控超聲波噴丸成形，為保證試樣在噴丸過程中能夠充分變形且不發生移動，要對試樣的四周進行限制。通過試驗得到的部分數控超聲波噴丸成形制件如圖3所示。以該成形制件為對象，研究超聲波噴丸過程參數對表面完整性的影響規律，并得到最佳的表面完整性。

圖2 超聲波噴丸成形軌跡

圖3 超聲波噴丸成形件

3 試驗結果及分析

3.1 顯微硬度

超聲波噴丸可在作用區內產生幾百到近千微米的硬化層，在硬化層內，硬度值隨著深度的增大而減小，直至母材的硬度。超聲波噴丸使得材料硬度提高，一般來說有三種機制：①位錯增殖；②相變的產生；③ 孿晶的生成。

圖4所示為超聲波噴丸成形制件顯微硬度沿層深的變化，從圖中可以看出超聲波噴丸使制件的顯微硬度有明顯的提高，最大增幅為23%；制件表面產生了一定深度的硬化層，深度約為300μm；顯微硬度隨著深度的增大而逐漸減??；成形軌跡間距和電流強度對顯微硬度沿層深分布有很大的影響，而撞針直徑和進給速度對顯微硬度的影響較小。

圖4 沿深度方向顯微硬度隨超聲波噴丸參數的變化規律

在其他條件不變的情況下，顯微硬度分布隨著電流強度的增大而增大，如圖4a所示，電流強度為2.4A時相對于1.2A時的顯微硬度增大了3%；顯微硬度分布隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小，如圖4b所示，軌跡間距為1mm時相對于0.1mm時，顯微硬度降低了7.1%；顯微硬度分布隨撞針直徑和進給速度的增大而略有降低，如圖4c、圖4d所示；而制件的硬化深度則基本保持不變。表面層顯微硬度的增大受制于材料的塑性變形程度，塑性變形較大導致材料表面致密度增高，位錯密度增大，冷作硬化效果更顯著，引起的硬度增加更明顯。電流強度的增大，使得瞬時的沖擊力增大；而成形軌跡間距的減小，使得單位面積上的沖擊次數增多，因而電流強度的增大和成形軌跡的減小使得材料的塑性變形程度就較高。但當電流強度增大到某一水平或成形軌跡間距減小到某一數值后，對材料表層組織影響及在表面所引起的塑性變形已經趨于穩定，此時增大電流強度或減小軌跡間距，對材料表面層顯微硬度的影響并不顯著。

經上述的分析可以發現，在較大的電流強度和進給速度、較小的撞針直徑和成形軌跡間距下，可以獲得較大的顯微硬度和較深的硬化深度。

3.2 殘余應力

圖5所示為超聲波噴丸成形制件的殘余應力分布，從圖中可以看出，超聲波噴丸能在制件內引入數值較高、分布呈現梯度形式的殘余壓應力場；不同噴丸參數下的表面殘余應力值基本相同，在－150～－180MPa之間；超聲波噴丸引入了較深的殘余應力分布，殘余應力的臨界深度在500～650μm之間；在距離表面200μm左右處，產生了最大殘余壓應力；噴丸成形軌跡間距和電流強度對殘余應力場有很大影響，而撞針直徑和進給速度對殘余應力場的影響較小。

在其他條件不變的情況下，最大殘余壓應力和臨界深度隨著電流強度的增大而增大，如圖5a所示，電流強度為2.4A時的最大殘余壓應力相對于1.2A時增大了近41.9%，臨界深度增大了近100μm；最大殘余壓應力和臨界深度隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小，如圖5b所示，軌跡間距為1mm相對于0.1mm時的最大殘余壓應力減小了32.7%，臨界深度減小了近200μm；最大殘余壓應力和臨界深度隨著進給速度和撞針直徑的增大而略有減小，如圖5c、圖5d所示，因此，在實際生產中可以選擇較大的進給速度，既可以保證引入較大的殘余應力場，又能夠有效地節省加工時間。殘余壓應力場的分布對制件的疲勞壽命有著十分重要的影響，引入的殘余壓應力越大，試樣的疲勞壽命越高。

從上述分析可知，在較大電流強度和進給速度、較小成形軌跡間距下，能夠得到較大的殘余壓應力分布。

3.3 表面形貌

圖6是母材和不同超聲波噴丸過程參數下制件的表面形貌。從圖中可以看出，母材表面存在較多的加工紋理，這些紋理主要是材料在軋制過程中產生的。而超聲波噴丸處理后，制件表面的加工紋理已經完全消失，取而代之的則是一道道的犁溝。經對比發現：電流強度、進給速度和撞針直徑對于犁溝的寬度和深度沒有明顯的影響，而犁溝的寬度和深度則隨著成形軌跡間距的增大而急劇增大，如圖6b～圖6d所示，這些犁溝主要是由于在超聲波噴丸過程中撞針在材料表面的拖拽所致。對比圖6b～圖6d發現，采用0.1mm的軌跡間距時制件表面的犁溝最窄，表面形貌也最好。

圖5 殘余應力沿深度分布隨超聲波噴丸參數的變化規律

圖6 超聲波噴丸前后試樣的表面形貌

3.4 表面粗糙度

圖7所示為超聲波噴丸過程參數對制件表面粗糙度Ra的影響。可以看到：超聲波噴丸后制件的表面粗糙度均有所增大。在其他條件不變的情況下，表面粗糙度隨著電流強度的增大而增大，電流強度增大導致撞針撞擊時的速度和沖擊力增大，進而造成受沖擊材料表面彈坑變深；表面粗糙度隨著成形軌跡間距的增大而急劇增大，在軌跡間距為1mm時，表面粗糙度已經達到3.6μm，如此之大的表面粗糙度會造成試樣表面的應力集中，對疲勞壽命造成不利的影響，因此在實際加工中也不能采用較大的軌跡間距；隨著撞針直徑的增大，表面粗糙度有一定程度的增大，但變化不是很大。此外，隨著進給速度的增大，表面粗糙度略有微量的增大。

圖7 表面粗糙度隨超聲波噴丸參數的變化規律

因此，通過上述的分析可以看出，在較小的電流強度、撞針直徑和軌跡間距，較大的進給速度條件下可以保證材料獲得較小的表面粗糙度。

3.5 半高寬

X射線衍射峰半高寬指的是衍射峰最大強度1／2處所占的角度范圍。在儀器固定的情況下，半高寬反映了材料冷作硬化程度、微觀殘余應力的大小以及晶體內部位錯密度的高低［7］。

圖8所示為半高寬隨深度的變化趨勢，經試驗對比發現：電流強度、進給速度和撞針直徑對于半高寬沒有明顯的影響，而半高寬隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小。與未噴丸試樣相比，超聲波噴丸后試樣的半高寬顯著增大，表面半高寬值隨成形軌跡間距的減小而增大，半高寬隨深度增大而減小，當深度超過125μm時，半高寬基本不變。與殘余壓應力場深度（500μm左右）相比，超聲波噴丸對半高寬影響層深度要小很多。超聲波噴丸促使半高寬變化的主要原因是冷作硬化程度上升以及位錯增殖。半高寬數值的增大是冷作硬化的體現，隨著成形軌跡間距的減小，循環塑性形變次數增加，冷作硬化加劇。

圖8 不同成形軌跡下的半高寬

3.6 最佳表面完整性

從上述顯微硬度、殘余應力場、表面形貌、表面粗糙度和半高寬的分析中可以看出，成形軌跡間距對表面完整性有很大影響，而且間距越小表面完整性越好；電流強度對表面完整性有雙重影響，電流的增大可以獲得較大的顯微硬度分布、殘余應力分布和半高寬，但也會造成粗糙度的增大，在實際生產中應當慎重選擇；撞針直徑對表面完整性的影響較小，但總體趨勢是：直徑越小，表面完整性越好；進給速度對表面完整性的影響最小，在實際生產中可以選擇較大的進給速度。綜合分析可得最佳的表面完整性條件為：撞針直徑為2mm，電流強度為1.6～2.0A，進給速度為3000mm／min以上，成形軌跡間距為0.1mm。

4 結論

（1）超聲波噴丸使試樣產生了近300μm的硬化層，同時使試樣的顯微硬度增大了近20%。

（2）超聲波噴丸能夠在試樣內引入數值較高、分布呈現梯度形式的殘余壓應力場；殘余應力臨界深度在500～650μm之間；噴丸后表面殘余應力數值基本相同，在－150～－180MPa之間；在200μm左右處產生了最大殘余壓應力。

（3）噴丸后試樣表面粗糙度增大，在較小的電流強度、撞針直徑和軌跡間距，較大的進給速度條件下可以保證材料獲得較低的表面粗糙度；試樣的表面由軋制紋理變為由撞針在材料表面的拖拽形成的犁溝，并且犁溝尺寸隨著軌跡間距的增大而增大。

（4）噴丸后表面層的半高寬數值增大，深度在125μm左右，表明噴丸后材料冷作硬化程度加大、晶體內部位錯密度增大。

（5）對表面完整性的影響由大到小排序為：成形軌跡間距，電流強度，撞針直徑，進給速度；在撞針直徑為2mm，電流強度為1.6～2.0A，超聲波噴丸成形軌跡間距為0.1mm時可以獲得最佳的表面完整性。

［1］高琳.高能超聲波噴丸板料成形技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2012.

［2］An X，Rodopoulos C A，Statnikov E S，et al.Study of the Surface Nanocrystallization Induced by the Esonix Ultrasonic Impact Treatment on the Near－Surface of 2024－T351Aluminum Alloy［J］.JMEPEG，2006，15：355－364.

［3］Mordyuk B N，Prokopenko G I.Effect of Structure Evolution Induced by Ultrasonic Peening on the Corrosion Behavior of AISI－321Stainless Steel［J］.Materials Science and Engineering A，2007，458：253－261.

［4］黃舒，周建忠.激光噴丸強化6061－T6鋁合金板料的表面完整性研究［J］.應用激光，2007，27（6）：450－455.Huang Shu，Zhou Jianzhong.Study on Surface Integrity of 6061－T6Aluminum Alloy Sheet After Laser Shot Peening［J］.Applied Laser，2007，27（6）：450－455.

［5］Gao Yukui，Li Xiangbin，Yang Qingxiang.Influence of Surface Integrity on Fatigue Strength of 40CrNi2Si2MoVA Steel［J］.Material Letters，2007，61：466－46.

［6］Zhang Xiaohua，Liu Daoxin.Effect of Shot Peening on Fretting Fatigue of Ti811Alloy at Elevated Temperature［J］.International Journal of Fatigue，2009，31（5）：889－893.

［7］王欣，蔡建明，王強，等.噴丸表面覆蓋率對Ti60高溫鈦合金疲勞性能的影響［J］.中國表面工程，2011，24（5）：58－63.Wang Xin，Cai Jianming，Wang Qiang，et al.Effect of Shot Peening Surface Coverage on the Fatigue Property in Ti60High－temperature Titanium Alloy［J］.China Surface Engineering，2011，24（5）：58－63.