復(fù)合噴丸對(duì)鋁-銅-鎂合金表面形貌和硬度的影響

韓雨辰, 朱文龍, 姜傳海

(1.丹東浩元儀器有限公司, 丹東 118324；2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240)

在地殼的金屬元素中鋁的含量最多，早期由于鋁的制備比較困難，應(yīng)用的較少，但進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以來(lái)，隨著鋁的生產(chǎn)成本不斷降低，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。以鋁元素為主體的鋁基合金材料具有密度低、生產(chǎn)成本低、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用到航空航天、汽車、海洋等各個(gè)領(lǐng)域中[1]。粉末冶金法是一種常用的鋁合金制備方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)多種材料進(jìn)行復(fù)合加工，從而提高鋁合金材料的綜合力學(xué)性能[2]。盡管隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的力學(xué)性能不斷提高，但實(shí)際上，在工程應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的材料疲勞失效等問(wèn)題，從而大幅度降低材料的使用壽命。為減少上述問(wèn)題對(duì)鋁合金材料應(yīng)用的影響，常對(duì)鋁合金材料表面進(jìn)行噴丸處理[3]。噴丸處理可以在材料表面引入一定深度的殘余應(yīng)力場(chǎng)，細(xì)化表層組織，從而提升材料的表面性能[4]，是減少材料表面應(yīng)力腐蝕、提高材料疲勞性能的最常用的方法[5]。傳統(tǒng)噴丸處理在材料表層形成殘余壓應(yīng)力和加工硬化的同時(shí)，會(huì)造成表面粗糙度增大和形成表面缺陷。而表面粗糙度增大會(huì)造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料點(diǎn)蝕概率的升高和疲勞強(qiáng)度的降低[6-9]。復(fù)合噴丸是在普通噴丸的基礎(chǔ)上，采用尺寸較小的彈丸或較小的噴丸強(qiáng)度，對(duì)材料表面進(jìn)行再次噴丸的一種表面處理方式，兩次噴丸覆蓋率均大于100%[6，10]。復(fù)合噴丸可有效改善噴丸均勻性、消除表面應(yīng)力集中和降低表面粗糙度。但目前對(duì)鋁合金噴丸的研究大多集中在傳統(tǒng)噴丸方面[11-12]，對(duì)鋁合金材料復(fù)合噴丸的研究較少。為此，筆者對(duì)粉末冶金法制備的鋁-銅-鎂合金材料進(jìn)行復(fù)合噴丸處理，然后對(duì)材料表面進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)及分析。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用某金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室采用粉末冶金法制備的鋁-銅-鎂鋁合金材料，試樣尺寸為60 mm×15 mm×3 mm，化學(xué)成分中鋁元素含量為95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，銅元素含量為4%，鎂元素含量為1%，為消除應(yīng)力,試樣需經(jīng)退火處理，試樣表面為精密機(jī)加工狀態(tài)，其表面粗糙度Ra為0.7 μm，對(duì)試樣的上表面進(jìn)行復(fù)合噴丸處理，如圖1所示。噴丸所用彈丸為S110型φ0.3 mm的鑄鋼丸和Z210型φ0.15 mm的陶瓷丸。

圖1 復(fù)合噴丸處理示意圖Fig.1 Diagram of composite shot peening

1.2 試驗(yàn)方法

先用S110型鑄鋼丸對(duì)試樣表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)度為0.54 mm的噴丸處理，后用Z210型陶瓷丸對(duì)試樣表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)度為0.42 mm的噴丸處理。

復(fù)合噴丸處理后用Spinning Disk Confocal(轉(zhuǎn)盤式共聚焦)顯微鏡觀察試樣表面形貌，測(cè)量試樣表面550 mm長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度，由系統(tǒng)自動(dòng)繪制表面粗糙度曲線并計(jì)算得到表面粗糙度Ra和Rz。用自動(dòng)拋光機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行電化學(xué)腐蝕剝層，工作電壓為15 V，工作電流為3.5 mA，并采用千分尺確定剝層層深。利用X射線應(yīng)力分析儀測(cè)量噴丸處理后試樣的殘余應(yīng)力[10]，儀器管電壓為30 kV，管電流為20 mA，采用鉻靶Kα輻射，釩濾波片，準(zhǔn)直管直徑為1 mm，雙512通道位敏探測(cè)器，對(duì)應(yīng)衍射角2θ范圍均為20°，ψ(衍射晶面方位角)為±45°，內(nèi)優(yōu)化設(shè)置15站，衍射幾何方式為同傾衍射。采用日本理學(xué)Ultima Ⅳ型X射線衍射儀得到試樣的X射線衍射譜，其工作電壓為40 kV，工作電流為30 mA。然后采用Voigt單峰擬合方法對(duì)衍射譜進(jìn)行分析，提取最強(qiáng)衍射峰[(100)晶面衍射峰]的半峰寬，并分析其沿層深的變化。采用DHV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量對(duì)應(yīng)復(fù)合噴丸層顯微硬度及其沿材料層深的分布[13]，所施加的載荷為0.98 N，在同一層深重復(fù)測(cè)量3次，最后取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面形貌

復(fù)合噴丸后試樣表面3D形貌和偽色視圖如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可見(jiàn)，噴丸處理后試樣表面凹坑尺寸為50～1 500 μm，整體較為細(xì)密、平整，表面質(zhì)量較高。噴丸過(guò)程中會(huì)有大量彈丸高速?zèng)_擊試樣表面，其中一部分動(dòng)能被試樣表面吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儎?shì)能，從而使試樣表面產(chǎn)生彈塑性變形，并在試樣表面留下大量大小不一的彈坑。復(fù)合噴丸是在普通噴丸的基礎(chǔ)上用較小粒徑的陶瓷彈丸對(duì)試樣表面再一次進(jìn)行噴丸處理。較小尺寸的彈丸多次錘擊試樣表面，使表面原有凹坑變得平坦，隨著沖擊不斷進(jìn)行，大凹坑逐漸不再明顯，變?yōu)樾椡铔_擊留下的小凹坑，從而使試樣表面更為細(xì)密、平整。因試樣表面塑性變形增大，由于內(nèi)部材料牽制而引入的殘余應(yīng)力增大，塑性變形引入的位錯(cuò)增多，導(dǎo)致晶粒細(xì)化和出現(xiàn)更多的亞晶粒，這正是復(fù)合噴丸能進(jìn)一步提升材料表面性能的原因。

圖2 復(fù)合噴丸處理后試樣表面的3D形貌Fig.2 3D morphology of sample surface after composite shot peening

圖3 復(fù)合噴丸處理后試樣表面?zhèn)尾蕡DFig.3 Pseudo color diagram of sample surface after composite shot peening

2.2 表面粗糙度

材料表面粗糙度是影響材料表面性能的重要參數(shù)，一般情況下，過(guò)高的表面粗糙度會(huì)降低材料的疲勞強(qiáng)度，還會(huì)增加腐蝕和開裂的幾率，對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生不利影響，因此可采用復(fù)合噴丸的方式優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)，提高材料的表面性能。

復(fù)合噴丸處理后試樣表面550 μm長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度曲線如圖4所示。由軟件計(jì)算得到的試樣表面粗糙度Ra為2.97 μm，Rz為12.66 μm，可見(jiàn)其表面質(zhì)量較好。

圖4 復(fù)合噴丸處理后試樣的表面粗糙度曲線Fig.4 Surface roughness curve of sample after composite shot peening

2.3 殘余應(yīng)力

噴丸處理前后試樣的殘余應(yīng)力沿深度分布如圖5所示，可見(jiàn)復(fù)合噴丸后試樣表面引入較深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，且在距表面300 μm內(nèi)均為殘余壓應(yīng)力，因此能夠?qū)υ嚇颖砻娈a(chǎn)生明顯的強(qiáng)化效果[14]。試樣表面的殘余壓應(yīng)力為114 MPa，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在層深50 μm處，為306 MPa，已接近材料的屈服強(qiáng)度，在距表面20 μm時(shí)，殘余壓應(yīng)力仍為100 MPa，說(shuō)明復(fù)合噴丸引入的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布較深、程度較大。未噴丸處理的試樣表面存在較低水平的殘余壓應(yīng)力，主要是機(jī)加工所致，但其沿材料層深分布的較淺，對(duì)材料的表面性能不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，總體表現(xiàn)為退火后的零應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 復(fù)合噴丸處理前后試樣殘余應(yīng)力沿深度分布圖Fig.5 Distribution diagram of residual stress of sample alongdepth before and after composite shot peening

2.4 X射線衍射半峰寬

圖6為噴丸處理前后試樣表面的X射線衍射(XRD)譜，可見(jiàn)噴丸處理前試樣中存在一定量的(200)晶面方向的擇優(yōu)取向，復(fù)合噴丸處理后擇優(yōu)取向消失，使材料的性能更穩(wěn)定、均勻。同時(shí)復(fù)合噴丸處理后，晶粒細(xì)化，亞晶界、小角度晶界等增多，使衍射晶面發(fā)生細(xì)微變化，整體表現(xiàn)為X射線衍射峰寬化。

圖6 復(fù)合噴丸處理前后試樣表面XRD譜Fig.6 XRD spectrum of sample surface before andafter composite shot peening

可通過(guò)X射線衍射半峰寬來(lái)反映材料的變形情況，噴丸強(qiáng)度越高，材料表層應(yīng)變?cè)酱?，塑性變形帶?lái)的位錯(cuò)越多，使晶粒不斷變形最終變?yōu)榧?xì)晶或亞晶粒[15]。復(fù)合噴丸處理前后試樣的衍射半峰寬沿深度分布如圖7所示?？梢?jiàn)復(fù)合噴丸處理導(dǎo)致試樣表面衍射半峰寬寬化，最大為0.275°，且隨層深的增加而逐漸減小，最終減小到基體未變形區(qū)域的0.12°。未噴丸處理試樣表面的衍射半峰寬也有較小幅度增大，主要是機(jī)械加工引起表面塑性變形所致，但其影響深度較淺，層深為25 μm時(shí)半峰寬即縮小為基體的0.12°，基本不會(huì)對(duì)表面性能產(chǎn)生影響。

圖7 復(fù)合噴丸處理前后試樣X(jué)RD半峰寬沿深度分布圖Fig.7 Distribution diagram of XRD half peak width along thedepth of sample before and after composite shot peening

2.5 顯微硬度

復(fù)合噴丸處理前后試樣的顯微硬度沿深度分布如圖8所示，可見(jiàn)試樣表面的塑性變形最劇烈，硬度增大的最多，顯微硬度達(dá)到180.8 HV，比基體的120 HV增加了50%，強(qiáng)化效果非常明顯。隨著層深的增大，塑性變形逐漸減小，硬度逐漸降低，層深大于200 μm時(shí)，強(qiáng)化效果已不明顯，該均勻分布的硬度變化有利于提高試樣表面性能的均勻性。未噴丸處理試樣的表面硬度為147.7 HV，相較基體也有所提升，但硬度增加量小于25 μm，對(duì)材料整體力學(xué)性能的提高有限?？梢?jiàn)由于復(fù)合噴丸處理后試樣表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形、組織細(xì)化、畸變?cè)龆啵乙霘堄鄩簯?yīng)力，進(jìn)一步起到強(qiáng)化的作用，因此在宏觀上表現(xiàn)為顯微硬度的增加。

圖8 復(fù)合噴丸處理前后試樣顯微硬度沿深度分布圖Fig.8 Distribution diagram of sample microhardness along depthbefore and after composite shot peening

3 結(jié)論

(1) 鋁-銅-鎂合金試樣經(jīng)復(fù)合噴丸處理后表面粗糙度變化不大，由0.70 mm增加到2.97 mm，試樣表面整體細(xì)密、均勻，完整性較高，表面質(zhì)量較好，基本能夠避免噴丸導(dǎo)致粗糙度增加而引起的不利影響。

(2) 鋁-銅-鎂合金試樣經(jīng)復(fù)合噴丸處理后引入較深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，最大殘余壓應(yīng)力為306 MPa，且壓應(yīng)力場(chǎng)整體分布均勻，能夠起到很好的強(qiáng)化效果。

(3) 鋁-銅-鎂合金試樣經(jīng)復(fù)合噴丸處理后表面衍射半峰寬增大，為0.275°；表面顯微硬度增大，為180.8 HV，比基體的硬度120 HV增加了50%。