噴丸強化對新型7055-T7751鋁合金疲勞性能的影響

李 鵬，劉道新，關艷英，成書民，趙遠興，曹 亮，李 歡

（1.西北工業大學腐蝕與防護研究所，西安710072；2.中航飛機股份有限公司西安飛機分公司，西安710089）

0 引 言

7055-T7751新型超高強度鋁合金是在7075鋁合金的基礎上進一步控制鐵、硅兩種有害元素的含量發展起來的，與傳統的7150和7075鋁合金相比［1］，具有更高的比強度，更好的斷裂韌性、抗應力腐蝕開裂性能和疲勞性能，因而成為現代先進飛機結構件的主要材料。疲勞破壞是飛機重要承力結構件的主要失效形式，沒有進行一定處理的7055-T7751鋁合金的疲勞抗力還難以滿足現代飛機高性能、長壽命、高可靠性等的設計要求。

金屬材料的疲勞抗力與其表面粗糙度、表面殘余應力、顯微組織、硬度及損傷狀況等密切相關［2］。噴丸強化（SP）能通過引入表面殘余壓應力和一定程度的表面加工硬化等有效提高金屬零部件的疲勞抗力［3-4］。但噴丸過程同時也會造成表面粗糙度增大，甚至導致表面開裂、脫層等表面損傷，損害了金屬材料的表面完整性，不利于疲勞性能的改善。因此，如何充分發揮SP的有利因素，降低SP的不利因素，是有效利用SP技術改善鋁合金疲勞性能的關鍵。噴丸強度和覆蓋率是噴丸處理過程中影響材料表面完整性及疲勞抗力的主要工藝參數，但是對于不同的金屬材料，它們的影響規律不同，而且二者之間還存在較為復雜的交互作用。生產上往往認為噴丸強度和覆蓋率越高其效果越好，或者不顧零部件材料的個性特點盲目照搬其它相關標準給定的參數。近年來，法國Zirpro等公司開發的陶瓷丸具有硬度高、破碎率低、不污染鋁合金材料等特點，與傳統鑄鋼丸和玻璃丸相比，在鋁合金表面強化方面優勢突出。對于7055鋁合金的噴丸強化雖有相關研究報道，但是對于新型陶瓷丸噴丸強化影響7055鋁合金表面完整性及疲勞性能的規律和作用機制尚不清晰。為此，根據航空工業應用的需求，作者以7055-T7751新型超高強度鋁合金為對象，研究了陶瓷丸噴丸強化對鋁合金疲勞抗力的影響規律［5-6］，并探討了其作用機制，為鋁合金的噴丸強化提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用7055-T7751鋁合金為進口材料，其化學成分見表1，室溫下其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為606，578MPa和9%。熱處理工藝為T7751，屬于特殊時效工藝技術，是美國Alcoa的專利。

表1 7055-T7751鋁合金化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 7055-T7751 aluminum alloy（mass） %

疲勞試樣的尺寸見圖1，表面完整性分析試樣尺寸為30mm×30mm×10mm。

圖1 疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of fatigue specimen

試樣表面噴丸強化處理采用MP4000型數控氣動式噴丸強化設備，參照生產經驗及有關資料選擇的噴丸處理工藝參數如表2所示，彈丸選用進口AZB210陶瓷丸。機械加工后噴丸試樣用1000＃砂紙打磨至圖1所示尺寸，而后參照HB/Z26-2011《航空零件噴丸強化工藝》統一對試樣進行倒角處理。

表2 7055-T7751鋁合金的噴丸處理工藝參數Tab.2 7055-T7751aluminum alloy shot peening process parameters

1.2 試驗方法

采用XSTRESS-3000型X射線應力測試儀，并結合化學剝層的辦法測噴丸強化后鋁合金試樣表面殘余應力場沿深度的分布，測試時采用側傾法，掃描方式為固定ψ角法，ψ角分別取 0°，30°，-30°，45°，-45°，選擇半高寬法定峰，選用鉻靶（Kα）輻射，管電壓為35kV，管電流為20mA。

采用HV-1000型顯微硬度計，測試樣表面硬度，選用Knoop壓頭，載荷為0.245N，保載時間20s，同一層深處測5次，取平均值。

利用TR-300型表面輪廓儀測試樣的表面粗糙度，結果取3個測試點平均值。利用HITACHI S-570型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析噴丸試樣的表面形態特征及損傷狀況。

利用PLG-100型高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，采用拉-拉加載方式，加載波形為正弦波形，應力比R為0.1，載荷幅值為30MPa，頻率為150Hz，室溫下進行。采用QUANTA 600型掃描電子顯微鏡（SEM）對疲勞斷口進行觀察分析。

2 試驗結果與討論

2.1 噴丸強化對表面粗糙度與表面形貌的影響

由表3可以看到，噴丸處理使7055-T7751鋁合金的表面粗糙度增加，相同噴丸覆蓋率條件下，隨噴丸強度的增加鋁合金表面粗糙度也增大，這是因為噴丸強度越高，彈丸速度越快，能量越高，沖擊材料表面所造成的丸坑越深的緣故。對比相同噴丸強度、不同覆蓋率的SP2與SP4試樣表面狀態可以發現，高覆蓋率（200%）的SP4試樣的表面粗糙度反而略小于低覆蓋率（100%）的SP2試樣的，究其原因在于噴丸覆蓋率超過100%以后，噴丸過程會對前期形成的丸坑有一定的修復整平作用［6］。

表3 不同7055-T7751鋁合金試樣的表面粗糙度和疲勞壽命Tab.3 Surface roughnesses and fatigue lives of different 7055-T7751Al alloy specimens

由圖2可以看到，未經噴丸處理的7055-T7751鋁合金基材表面有輕微的拋光磨痕；噴丸處理后，鋁合金表面出現了不同深度和大小的丸坑，且隨著噴丸強度的增大，彈丸撞擊鋁合金表面的能量增大，故彈丸坑尺寸（深度和口徑）增大，彈丸坑周圍塑性流變增強，同時局部脫層和皺褶突出。而噴丸覆蓋率提高后，鋁合金表面丸坑尺寸變化不明顯，而局部脫層和皺褶程度增大，即損傷情況有所增加。

圖2 不同7055-T7751鋁合金試樣表面的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 噴丸強化對表面殘余應力的影響

圖3 不同7055-T7751鋁合金試樣表層殘余應力分布Fig.3 Residual stress distribution in the surface of different 7055-T7751Al alloy specimens

由圖3可以看到，噴丸強化能夠在7055鋁合金表面引入數值較高、呈梯度分布的殘余壓應力場。隨著噴丸強度的提高，鋁合金表面殘余壓應力有所減小，而次表層的最大殘余應力有所增大。原因在于隨著噴丸強度的增加，彈丸對材料表面沖擊能量增大，使鋁合金表層塑性變形程度增加，而噴丸引入的殘余壓應力是表層塑性變形受內部彈性變形約束的結果，因此噴丸強度提高，次表層能夠獲得更大數值的殘余壓應力，但是噴丸強度過大會造成表面損傷（脫層或開裂）程度的提高，表面殘余壓應力會發生一定的松弛，故噴丸強度進一步增大會導致表面殘余壓應力數值有所減小。對比SP2與SP4試樣可知，隨噴丸處理覆蓋率增大，鋁合金表面殘余壓應力數值也增大，而次表層最大殘余壓應力以及分布深度則有所減小。這是由于在噴丸覆蓋率超過100%以后的噴丸過程中，彈丸對前期噴丸層重新撞擊，導致過噴丸，表面損傷程度增大，使鋁合金表層殘余應力發生一定的松弛現象，不利于疲勞性能的有效改善。

2.3 噴丸強化對表面硬度分布的影響

由圖4可以看到，噴丸處理使7055鋁合金試樣表面硬度增大，硬度沿層深呈梯度變化，最大硬化層深度在100～140μm。在覆蓋率為100%的條件下，隨著噴丸強度增加，表面硬度呈先增大后降低的變化規律。由于噴丸強度提高，陶瓷丸撞擊鋁合金表面的能量增大，陶瓷彈丸對鋁合金表面撞擊造成的加工硬化層深會有所增大，故表面硬度及硬化層深度增大；然而，過高強度的噴丸處理導致加工硬化后又出現軟化的現象，因此硬度降低。另外硬度的降低與表面的損傷程度增大也有直接的關系，這對鋁合金的疲勞性能顯然是不利的。

圖4 不同7055-T7751鋁合金試樣表層顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution in the surface of different 7055-T7751Al alloy specimens

2.4 噴丸強化對疲勞壽命的影響

由表3還可以看到，與7055-T7751鋁合金基材相比，低強度噴丸處理SP1試樣的疲勞壽命提高了1.2倍，中等強度噴丸處理SP2試樣的疲勞壽命提高了1.7倍，而高強度噴丸處理SP3試樣的疲勞壽命降低了50%。在最有效的中等強度噴丸條件下，提高噴丸覆蓋率（SP4試樣），鋁合金的疲勞壽命不僅未進一步提高，反而有所降低（SP4試樣的疲勞壽命比SP2試樣的低13.8%）。由此可見，無論噴丸強度過高，還是噴丸覆蓋率過高，均不能達到最有效地改善7055-T7751鋁合金疲勞性能的目的，反而造成過噴丸的不利影響。原因是噴丸處理時，過高的噴丸強度或覆蓋率條件下，鋁合金不能獲得良好的表面完整性，甚至出現表面脫層或開裂損傷，造成表面缺口效應和應力集中，導致疲勞性能變差。因此，較佳噴丸工藝參數為噴丸強度0.15mm，覆蓋率100%。

從圖5可以看到，7055-T7751鋁合金基材疲勞裂紋萌生于表面，呈現放射狀條紋，位于斷口平坦區；經噴丸處理后（以SP2試樣為例），疲勞裂紋源已經移到表面下，這顯然是由于噴丸引入的表面殘余壓應力的影響造成的。

圖5 不同7055-T7751鋁合金試樣疲勞斷口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fatigue fracture of base metal（a）and SP2（b）of 7055-T7751Al alloy

綜上所述，7055-T7751鋁合金經合適工藝參數噴丸強化后其疲勞性能可以得到明顯的提高。而噴丸強化對7055-T7751鋁合金疲勞抗力的提高除了歸因于殘余壓應力的產生，還要歸因于表面完整性的改善。噴丸強化在7055-T7751鋁合金表面引入的殘余壓應力沿層深呈現出梯度變化規律，因而可以十分有效地抵消外加疲勞載荷，抑制和延緩表面疲勞裂紋的萌生及早期擴展［7-9］，并使得材料表面裂紋源向次表層轉移（圖5所示），而材料的內部疲勞極限高于表面疲勞極限［10-12］，進而有效提高了7055-T7751鋁合金的疲勞抗力。噴丸后7055-T7751鋁合金表層硬度增大，這是因為噴丸強化使金屬表層晶粒細化，位錯密度增大，達到冷作硬化作用。噴丸強化層內晶粒細化及晶格畸變程度的提高，將金屬在疲勞交變載荷作用下發生的滑移阻止在應變層與基體界面處，阻礙疲勞裂紋在材料表面萌生，從而延長了疲勞裂紋的萌生時間，因而也有利于7055-T7751鋁合金疲勞壽命的提高。

3 結 論

（1）合理參數的陶瓷丸噴丸強化處理能夠在7055-T7751鋁合金表面引入梯度分布的殘余壓應力場，并造成合理層深的加工硬化，有利于提高合金的疲勞性能；噴丸強度過高或覆蓋率過大，會造成合金表面粗糙度過高或表面損傷過嚴重，導致表面缺口效應和應力集中效應增強，不利于合金的表面完整性和疲勞性能改善。

（2）7055-T7751鋁合金陶瓷噴丸強化的較佳工藝參數為噴丸強度0.15mm，噴丸覆蓋率100%，經此工藝處理后該鋁合金的疲勞壽命提高了1.7倍。

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