噴丸對(duì)2024-T351鋁合金表面完整性影響的研究

□ 楊 輝 □ 徐 剛 □ 尹 佳 □ 張 琪 □ 王夢(mèng)澤 □ 孫雨桐

1.西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西安 710089 2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

1 研究背景

2024-T351鋁合金因優(yōu)異的力學(xué)性能和較高的耐腐蝕性而被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域[1]。腐蝕、磨損和疲勞引起的零件失效通常起源于材料表面,因此,采用合適的表面處理技術(shù)十分有必要[2]。噴丸處理能夠引起材料表面微觀結(jié)構(gòu)變化,可以有效提高零件的表面性能。

在噴丸過程中,大量彈丸撞擊零件表面,引起微觀結(jié)構(gòu)演變,包括表面粗糙度值增大、位錯(cuò)密度提高、晶粒細(xì)化、殘余應(yīng)力增大、微觀硬度提高等[3-7],顯著影響零件的表面性能。恰當(dāng)?shù)膰娡鑵?shù)可以引起材料表面晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度提高,以及殘余壓應(yīng)力等,有利于提高材料的耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕性能[8-9]。由于彈丸的反復(fù)撞擊,孿晶和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用導(dǎo)致晶粒細(xì)化和加工硬化,能夠抑制裂紋萌生。另一方面,殘余應(yīng)力場(chǎng)的存在可以抑制疲勞裂紋擴(kuò)展,進(jìn)而極大提高材料疲勞強(qiáng)度[10]。Karimbaev 等[11]指出,經(jīng)超聲納米表面改性技術(shù)處理后的試樣表面,晶粒尺寸較小,殘余壓應(yīng)力較大,具有較高的抗疲勞性能。Salvati等[12]也提出了相似的結(jié)論。在疲勞過程中,殘余應(yīng)力的穩(wěn)定性至關(guān)重要。Gan Jin等[13]指出,在循環(huán)載荷下,殘余應(yīng)力的穩(wěn)定性取決于殘余壓應(yīng)力最大值和殘余壓應(yīng)力層的深度。由于晶粒細(xì)化和加工硬化作用,材料表層硬度顯著提高,同時(shí)可以提高材料的耐磨損性[14]。Chamgordani等[15]指出,表面機(jī)械研磨處理可以提高材料的表面硬度,顯著減小摩擦因數(shù),降低磨損率。Yin Meigui等[16]指出,TC4鈦合金樣品在激光噴丸之后,耐沖擊磨損性能顯著提高。在超聲噴丸處理后的AZ31鎂合金中,也表現(xiàn)出相同的規(guī)律[17]。值得注意的是,細(xì)化的晶粒提供了大量晶界,成為鈍化膜形成的活躍位置,增強(qiáng)了材料的耐腐蝕性[18]。經(jīng)過激光噴丸、超聲噴丸、表面機(jī)械研磨的材料均,表現(xiàn)出較低的腐蝕電流密度[19-21]。在不恰當(dāng)?shù)膰娡鑵?shù)下,材料表面過大的粗糙度值及過多的裂紋也會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生消極影響[22]。在較高的應(yīng)變幅下,材料表面粗糙度和微裂紋是影響材料疲勞壽命的主要因素[23-24]。表面粗糙度值過大,同樣會(huì)降低材料的耐磨損性和耐腐蝕性。Silva等[25]指出,噴丸引起的材料大粗糙表面降低了材料的耐磨損性,適當(dāng)去除粗糙表面后,可以提高材料的耐磨損性。Peral等[26]同樣指出,表面粗糙度能夠影響材料的耐腐蝕性,電解拋光后,噴丸表面腐蝕速率明顯降低。由此可見,由噴丸引起的表面材料微觀結(jié)構(gòu)演變對(duì)材料的性能有十分重要的影響。

盡管噴丸技術(shù)各自的一般規(guī)律已經(jīng)建立,但是在相同的噴丸強(qiáng)度下,不同噴丸方式對(duì)材料表層微觀結(jié)構(gòu)的影響缺乏有效的對(duì)比[24]。因此,為了進(jìn)一步明確相同噴丸強(qiáng)度下噴丸方式對(duì)表層材料的影響,筆者以2024-T351鋁合金為研究對(duì)象,在A型阿爾明試片名義弧高值為0.15 mm的噴丸強(qiáng)度下,評(píng)估超聲噴丸和氣動(dòng)噴丸對(duì)材料表面形貌、微觀組織、殘余應(yīng)力、微觀硬度的影響。

2 試樣制備

試驗(yàn)材料為2024-T351航空鋁合金,試樣尺寸為25 mm×25 mm×10 mm。噴丸處理前對(duì)試樣表面采用400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)、1 000號(hào)、1 200號(hào)、2 000號(hào)防水砂紙進(jìn)行打磨拋光。對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行氣動(dòng)噴丸和超聲噴丸處理,噴丸強(qiáng)度采用A型阿爾明試片名義弧高值為0.15 mm的強(qiáng)度。氣動(dòng)噴丸時(shí),采用直徑為0.58 mm的ASH230硬鑄鋼丸,氣壓為0.13 MPa,彈丸流量為10 kg/min、噴嘴運(yùn)動(dòng)速度為460 mm/min,噴丸距離為300 mm,噴丸角度為90°。超聲噴丸時(shí),采用直徑為2 mm的氧化鋯彈丸,數(shù)量為300個(gè),振幅強(qiáng)度為80%,處理時(shí)間為90 s。

3 試驗(yàn)方法

采用TM4000Plus掃描電子顯微鏡觀測(cè)不同噴丸處理后的試樣表面形貌,采用表面粗糙度儀測(cè)量試樣的表面輪廓和表面粗糙度。采用D8 X射線衍射儀測(cè)定試樣的X射線衍射譜線,并進(jìn)行物相和表面微觀結(jié)構(gòu)分析,測(cè)試條件為銅輻射,以2.5(°)/min的掃描速度在30°～90°范圍內(nèi)掃描。采用iXRD殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)定試樣的殘余應(yīng)力,測(cè)試條件為電壓25 kV、電流5 mA,應(yīng)用銅輻射作為光源,取金屬鋁面心立方結(jié)構(gòu)的311晶面測(cè)定,入射角為±25°,均勻分布九個(gè)衍射角。采用化學(xué)腐蝕方法進(jìn)行剝層處理,腐蝕液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.9%的氫氧化鈉溶液,腐蝕溫度為80 ℃,最終獲得沿深度方向分布的殘余應(yīng)力。采用維氏硬度計(jì)測(cè)定試樣沿深度方向的硬度變化,測(cè)試載荷為0.25 N,保載時(shí)間為10 s,測(cè)量點(diǎn)間距為50 μm,約為壓痕尺寸的三倍。

4 表面形貌與表面粗糙度

兩種噴丸處理后試樣表面形貌如圖1所示,試樣表面輪廓如圖2所示,表面粗糙度如圖3所示。由圖1可以看出,經(jīng)過兩種噴丸處理后,試樣表面形貌均有明顯改變。氣動(dòng)噴丸試樣表面被不規(guī)則彈痕所覆蓋,由于彈痕之間相互擠壓作用,導(dǎo)致材料堆積,產(chǎn)生較為明顯的凸起。超聲噴丸試樣被大彈痕所覆蓋,彈痕之間相互作用弱于氣動(dòng)噴丸試樣,因而表面凸起小于氣動(dòng)噴丸試樣。采用Image J 軟件,應(yīng)用截線法測(cè)量試樣的彈痕直徑,氣動(dòng)噴丸試樣為138.49±7.62 μm,超聲噴丸試樣為279.38±22.72 μm,超聲噴丸試樣彈痕直徑約為氣動(dòng)噴丸試樣彈痕直徑的兩倍。由圖3可以看出,超聲噴丸試樣表面粗糙度Ra為 2.18 μm,氣動(dòng)噴丸試樣表面粗糙度Ra為2.61 μm。與此同時(shí),超聲噴丸試樣表面輪廓曲線高度遠(yuǎn)小于氣動(dòng)噴丸試樣。由試驗(yàn)可見,在A型阿爾明試片名義弧高值為0.15 mm的噴丸強(qiáng)度下,超聲噴丸相比氣動(dòng)噴丸,可以獲得較好的表面質(zhì)量。

5 X射線衍射

通常情況下,X射線衍射峰的寬度包括儀器寬度和結(jié)構(gòu)展寬。衍射峰全寬化是由晶粒細(xì)化和微應(yīng)變?cè)龃笠鸬摹０敕迦珜捦ǔＳ糜诙ㄐ悦枋鲅苌浞鍖捇蛴?jì)算晶粒尺寸及微應(yīng)變大小。

(1)

式中:βh為衍射峰半峰全寬;β0為儀器寬化角;λ為入射線波長;Dh為微晶尺寸;θ為衍射角;ε為微觀應(yīng)變。

▲圖1 試樣表面形貌

▲圖2 試樣表面輪廓

▲圖3 試樣表面粗糙度

試樣X射線衍射分析如圖4所示,試樣半峰全寬如圖5所示。氣動(dòng)噴丸和超聲噴丸處理前后,原始試樣表面僅出現(xiàn)鋁的衍射峰,沒有新相產(chǎn)生和原始相消失,同時(shí)沒有明顯的擇優(yōu)取向改變。相比原始試樣,兩種噴丸處理后的試樣衍射峰都出現(xiàn)不同程度的寬化,計(jì)算出的噴丸處理后試樣鋁面心立方結(jié)構(gòu)200和311晶面各衍射峰半峰全寬均大于原始試樣。可以看出,氣動(dòng)噴丸試樣相比超聲噴丸試樣,衍射半峰寬化程度更大,意味著試樣表面塑性變形更加明顯。扣除儀器寬化后,原始試樣和噴丸處理后試樣微晶尺寸均大于100 nm。因此,噴丸處理后試樣衍射峰的寬化主要由微應(yīng)變的增大而引起,超聲噴丸試樣和氣動(dòng)噴丸試樣的微應(yīng)變分別為0.223%和0.239%。根據(jù)文獻(xiàn)[27]可知,氣動(dòng)噴丸的彈丸速度遠(yuǎn)大于超聲噴丸的彈丸速度,對(duì)試樣表面產(chǎn)生塑性變形更加顯著,因此,氣動(dòng)噴丸試樣的表面塑性變形大于超聲噴丸試樣,衍射半峰寬化更加明顯。由以上分析可見,超聲噴丸和氣動(dòng)噴丸均可以造成試樣表面塑性變形和微應(yīng)變?cè)龃?進(jìn)而引發(fā)X射線衍射半峰寬化,氣動(dòng)噴丸引起的微應(yīng)變?cè)龃蟪潭雀哂诔晣娡琛?/p>

▲圖4 試樣X射線衍射分析

▲圖5 試樣半峰全寬

6 殘余應(yīng)力

試樣殘余應(yīng)力如圖6所示,試樣殘余壓應(yīng)力層深度及最大殘余壓應(yīng)力如圖7所示。由圖6可以看出,原始試樣中殘余應(yīng)力值在零值附近波動(dòng),數(shù)值較小。沿深度增大方向,氣動(dòng)噴丸試樣和超聲噴丸試樣的殘余壓應(yīng)力先達(dá)到最大值,隨后逐漸減小。氣動(dòng)噴丸試樣和超聲噴丸試樣殘余壓應(yīng)力最大值分別為-301.22 MPa、-281.03 MPa,殘余壓應(yīng)力層深度分別為108.20 μm、322.78 μm。由于彈丸沖擊造成試樣塑性拉伸變形的表層材料有膨脹趨勢(shì),加之周圍材料的彈塑性響應(yīng)會(huì)限制變形,因此產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[28]。塑性變形越嚴(yán)重,殘余壓應(yīng)力越大。氣動(dòng)噴丸產(chǎn)生較大的表面殘余壓應(yīng)力,以及較淺的殘余壓應(yīng)力層。相反,超聲噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力層較深。表層殘余壓應(yīng)力的大小與彈丸速度有關(guān),較大的速度導(dǎo)致表層材料產(chǎn)生更加劇烈的塑性變形,由此表層殘余壓應(yīng)力較大[29-30]。最大殘余壓應(yīng)力的差異可以歸因于彈丸速度和運(yùn)動(dòng)方式。氣動(dòng)噴丸垂直撞擊材料表面,相同方向撞擊產(chǎn)生的塑性變形逐漸積累。超聲噴丸的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的,噴丸以不同的方向撞擊試樣表面,能夠抵消一部分塑性變形。因此,氣動(dòng)噴丸引起的最大殘余壓應(yīng)力較大。殘余壓應(yīng)力深度與噴丸直徑有關(guān),大噴丸通常可以引起較大區(qū)域的塑性變形,因而殘余壓應(yīng)力層的深度較大。綜合以上分析,采用A型阿爾明試片名義弧高值為0.15 mm的噴丸強(qiáng)度,氣動(dòng)噴丸使試樣產(chǎn)生較大的表面殘余應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力,超聲噴丸使試樣產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力層。

▲圖6 試樣殘余應(yīng)力

7 微觀硬度

試樣微觀硬度如圖8所示,試樣鋁面心立方結(jié)構(gòu)311晶面半峰全寬如圖9所示。原始試樣沿深度方向的微觀硬度基本不變,約為維氏硬度HV0.025156.8。氣動(dòng)噴丸試樣和超聲噴丸試樣的微觀硬度均在上表面達(dá)到最大值,沿深度方向以不同的速率逐漸減小到原始試樣的硬度。氣動(dòng)噴丸試樣和超聲噴丸試樣的微觀硬度最大值分別為維氏硬度HV0.025172.6、185.9,硬化層深度分別約為120 μm、250 μm。硬度的變化趨勢(shì)與半峰全寬的變化具有相似性[31],氣動(dòng)噴丸試樣的半峰全寬以較快的速率衰減到基體數(shù)值,而超聲噴丸試樣的半峰全寬以較慢的速率衰率。在沿深度方向0～30 μm區(qū)域內(nèi),氣動(dòng)噴丸試樣的半峰全寬大于超聲噴丸試樣,之后超聲噴丸試樣的半峰全寬緩慢衰減,在深度230 μm左右達(dá)到基體數(shù)值。氣動(dòng)噴丸試樣與超聲噴丸試樣在硬度和硬化層方面的差異與文獻(xiàn)[29][32]的研究一致。結(jié)合X射線衍射分析,微觀硬度的提高可歸因于微應(yīng)變的增大。根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求,任一壓痕中心與試樣邊緣距離至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長度的2.5倍,因此試樣微觀硬度從距表面一定深度位置開始測(cè)量。兩種噴丸處理均可以顯著提高材料的微觀硬度,但是相同噴丸強(qiáng)度下,超聲噴丸試樣產(chǎn)生的最大微觀硬度大于氣動(dòng)噴丸試樣,硬化層深度也明顯大于氣動(dòng)噴丸試樣。高速氣動(dòng)小噴丸引起的塑性變形主要集中于淺表層,沿深度方向塑性變形快速減小。在超聲噴丸過程中,大噴丸通常引起更深的塑性變形層,且塑性變形程度沿深度方向減小較慢。

▲圖7 試樣殘余壓應(yīng)力層深度及最大殘余壓應(yīng)力

▲圖8 試樣微觀硬度

▲圖9 試樣鋁311晶面半峰全寬

8 結(jié)論

筆者在采用相同的A型阿爾明試片名義弧高值為0.15 mm的噴丸強(qiáng)度下,應(yīng)用超聲噴丸和氣動(dòng)噴丸處理2024-T351鋁合金試樣,對(duì)比兩種噴丸方式對(duì)試樣表面結(jié)構(gòu)、形貌、殘余應(yīng)力、微觀硬度的影響,進(jìn)而得出結(jié)論。

(1)超聲噴丸相比氣動(dòng)噴丸,使試樣表面產(chǎn)生較小的表面粗糙度值。氣動(dòng)噴丸試樣表面粗糙度值較大的原因是較大的噴丸速度。

(2)氣動(dòng)噴丸相比超聲噴丸,會(huì)引起試樣表面塑性變形更大,以及表面微觀應(yīng)變更大。

(3)氣動(dòng)噴丸使試樣產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力,但殘余壓應(yīng)力層深度明顯較小。超聲噴丸使試樣產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力層。較大的噴丸速度會(huì)導(dǎo)致較大的表面殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生。

(4)超聲噴丸使試樣產(chǎn)生更大的微觀硬度和更深的硬化層,這可以歸因于較大的噴丸使試樣產(chǎn)生較大的塑性變形區(qū)。試樣微觀硬度的變化規(guī)律與試樣半峰全寬的變化規(guī)律一致。