喷丸强化对TC4钛合金表面完整性及疲劳性能的影响

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1、、比强度高 、耐腐蚀性能2012 年8 月机械科学与技术August2012第 31卷第 8 期Mechanical Science and Technologyfor AerospaceEngineeringVol 31No8喷丸强化对TC4 钛合金表面完整性及疲劳性能的影响夏明莉1，2，2，2，炜1，1，2刘道新杜东兴李瑞鸿张乔明杰张晓化1西安飞机国际航空制造股份有限公司，西安710089 ；（夏明莉2 西北工业大学航空学院腐蚀与防护研究所，西安710072 ）摘 要：为了探讨喷丸强化对钛合金表面完整性及其疲劳行为的影响规律，采用扫描电子显微镜（SEM）、表面粗糙度仪 、金相显微镜 、显微

2、硬度计及X 射线应力测试仪等 ，分析了喷丸处理的TC4 钛、，合金表面形态特征 表面粗糙度表层金相组织表层硬度以及表层残余应力分布采用微机控制高频疲劳试验机评价了喷丸强化对TC4 钛合金疲劳抗力的影响，探讨了喷丸试样表面完整性与疲劳抗力的内在联系及作用机制 。结果表明 ：采用合理的喷丸强化工艺能够显著提高TC4 钛合金的拉 -拉疲劳抗力，以强度 0. 10 mmA 0. 15 mmA、覆盖率 100% 的条件喷丸处理TC4 钛合金 ，能够使其疲劳极限提高 14. 5% 。然而 ，过高强度 （0. 15 mmA 0. 20 mmA）的喷丸处理 ，并不能达到显著提高TC4 钛合金疲劳抗力的目的 。

3、 喷丸强化对 TC4 钛合金疲劳行为的影响归于喷丸对其表面完整性的影响，当喷丸引入的表面残余压应力及组织强化因素为主导时，。钛合金疲劳抗力能够得到显著地提高关 键 词：TC4 钛合金 ；喷丸强化 ；疲劳性能；表面完整性 ；残余应力 ；粗糙度中图分类号 ：TG17文献标识码 ：A文章编号 ：1003-8728（2012）08-1349- 05Effects of Shot Peening on Surface Integrityand FatigueProperties of TC 4 TitaniumAlloyXia Mingli 1 ，Liu Daoxin2 ，Du Dongxing2 ，L

4、i Ruihong2 ，Zhang Wei1 ，Qiao Mingjie 1 ，Zhang Xiaohua21（ Xian Aircraft International Corporation，Xian 710089；2 Corrosion and Protection ResearchLaboratory，NorthwesternPolytechnical University，Xian 710072）Abstract ：In order to study the effects of shot peening on the surfaceintegrity and fatigue prop

5、erties of titanium al-loy，we study the surface morphology，surface roughness，surface metallography，surface micro-hardness and sur-face residual stressof shot peenedTC4 titanium alloy by using a scanning electron microscopy （SEM），surfacepro-file gauge，metallography microscopy，micro-hardness instrument

6、 and X- ray diffraction residual stress analyzer，etc The fatigue resistance of titanium alloy is investigated by using microcomputer-controlled and high- frequencyfatigue testing machine The relationship between surface integrity and fatigue resistanceis discussed The investi-gation results show tha

7、t the tension-tension fatigue resistanceof TC4 titanium alloy can be greatly improved by rea-sonable shot peening The fatigue limit improves by about 145% with the shot peening，including 010 mmA 015 mmA intensity and 100% coverage However，the fatigue resistanceof TC4 titanium alloy can not be signif

8、i-cantly improved with the higher shot peening intensity of 015 mmA 020 mmA The effect of shot peening on the fatigue property of TC4 titanium alloy is due to the effect of shot peening on its surface integrity The fatigue resist-ance of TC4 titanium alloy improves significantly when the surface res

9、idual compressive stress and structural strengthening factors induced by shot peening are dominant Key words：TC4 titanium alloy；shot peening；fatigue property；surfaceintegrity；residual stress；fatigue resistance收稿日期 ：2011-06-01基金项目 ：国家自然科学基金项目（51171154 ，51101127 ）资助作者简介 ：夏明莉 （1979 ），工程师 ，硕士研究生，研究方向为喷丸

10、强化及喷丸成型技术，xiaou2115163com钛合金由于具备密度小优异、高温力学性能好等诸多特点成为重要的航空结构材料 。 由于飞机飞行中的大气气流影响和发动机的振动作用使得疲劳失效成为航空钛合金结构的1350机械科学与技术第31卷主要失效形式 ，统计表明 ，90% 的航空钛合金结构件的失效与疲劳相关 1 。 仅仅依靠钛合金自身固有的疲劳抗力难以满足飞机结构长寿命 、高可靠性和高安全性的设计要求 ，为此 ，喷丸强化处理成为进一步改善钛合金航空结构疲劳性能的重要技术手 2 4段 。 然而 ，喷丸强化技术是一种具有双刃剑特点的表面改性方法 ，既包括有利于提高材料疲劳性能的因素 （如表面引入残余

11、压应力 ），同时也包括不利于材料疲劳抗力的因素（、如表面粗糙度增大表面产生损伤性缺陷等6 9。如何充分发挥喷丸处）理有利因素的作用，避免或减少不利因素的影响是有效利用喷丸技术改善钛合金等金属材料抗疲劳性能的关键 7 10。 由于材料的疲劳抗力与其表面完整性有密切的关系 ，特别是钛合金对表面完整性及表面缺口应力集中效应十分敏感，因此喷丸强化对钛合金疲劳行为的影响实际上应归于喷丸处理对钛2，5合金表面完整性的影响。然而 ，目前人们关注更多的是机械加工表面完整性对材料及结构疲劳抗性及疲劳抗力的研究工作开展的还很不够，为充分发挥喷丸强化改善钛合金疲劳性能的作用和潜力，有必要进一步研究喷丸强化对钛合金表

12、面完整性及其疲劳行为的影响规律和作用机制。本文中以航空结构中广泛应用的TC4（Ti6Al4V ），钛合金为研究对象 开展喷丸强化对钛合金表面完整性及其疲劳行为影响规律和作用机制的研究。1 试验材料及研究方法1. 1 试样材料及喷丸处理试验用 TC4 钛合金为厚度为 3 mm 的退火状态板材，其化学成分和力学性能分别如表 1 和表 2 所示 。表 1TC4 钛合金的化学成分（wt% ）元素AlVFeCNHOTi含量606 39203 0013001400014 015 余量表 2TC4 钛合金的室温力学性能0. 2 /MPab /MPa/%/%9831 02718. 520. 1钛合金试样的喷丸

13、强化处理在数控气动式喷丸设备上进行 ，参照生产经验及有关资料选择喷丸条件，弹丸使用 S110 铸钢丸 ，具体喷丸参数如表 3 所示，其中喷丸条件 “强度 0. 15 mmA 0. 20 mmA，覆盖率 100% ”是 TC4（Ti6Al4V ）钛合金结构件在生产中和文献上常常采用的喷丸参数 2，4 ，8 。表 3 TC4 钛合金的喷丸处理工艺条件试样表面状态试样状态标示未喷丸的基材BM喷丸处理 ：强度 0. 10mmA 0. 15mmA，覆盖率 100%SP1喷丸处理 ：强度 0. 15mmA 0. 20mmA，覆盖率 100%SP21. 2 表面完整性评价方法表面完整性评价包括表面粗糙度和形

14、态的观察和分析 ，表面残余应力分布 、表面硬度与微观组织结构的测试及分析 。 图 1 所示为表面完整性评价所用试样的形状及尺寸 。图 1表面完整性评价试样形状及尺寸试样的 表 面粗 糙度 Ra 、Rq 和 Rz 值 利 用 Surf Test SJ-201 型粗糙度仪测量 ，取样长度为 0. 8 mm；表面显微硬度的测量用 HV- 1000 型显微硬度计 ，选用 Knoop 压头 ，载荷为 0. 98 N，保载时间 20 s；试样的表面形貌采用 QUANTA 600 型扫描电子显微镜（SEM）进行观察 ；利用 XJL-03 型金相显微镜进行表面组织金相观察。试样表层残余应力测试选用 D /MA

15、X 2200 PC型微机辅助 X 射线应力分析仪 ，测试采用侧倾法 ，扫描方式为固定 0 法，0 分别取0、15、30、45，选择半高宽法定峰 ，其它测试条件为：选用 Cu（K）靶辐射 ，衍射晶面为 （213），管电压为 40 kV，管电流为 30 mA，采用平行光束 ，照射面积为 2 mm 2 mm。 2 高 角 = 145. 96，2低 角 =138. 76。 应力常数为 277 MPa/ 。 采用化学腐蚀剥层法测试喷丸强化层残余应力沿试样深度的分布，减薄速率控制在 10 m/min 左右 。1. 3 疲劳试验方法本论文研究中为了模拟承受拉-拉交变载荷的航空零部件的服役工况，采用拉 -拉疲

16、劳试验方法进行试验 。 疲劳试验采用PLG-100C微机控制高频疲劳试验机进 行，采用拉-拉加载方式，应力比 R 为0. 1 ，室温条件 。 疲劳试样形状及尺寸如图2 所示。用成组法测定其S-N 曲线 ，采用升降法测定5 106周次下的疲劳极限。依据 S-N 曲线确定中值疲劳寿第 8 期夏明莉等 ：喷丸强化对TC4 钛合金表面完整性及疲劳性能的影响1351命对比的应力水平 ，对喷丸影响 TC4 钛合金疲劳抗力的规律进行研究 ，中值疲劳寿命对比的平行试样数目为 5 件 。采用 QUANTA 600 型扫描电子显微镜（SEM）进行试样的疲劳断口观察分析 。图 2TC4 钛合金疲劳试样形状及其尺寸2

17、 试验结果与讨论2. 1喷丸对 TC4 钛合金表面完整性的影响图 3 所示为不同喷丸工艺条件处理试样的表面SEM 形貌 。 可以看到，不同强度的喷丸处理造成TC4 钛合金表面不同的形态特征。微观上看喷丸试样表面丸坑明显，较高强度的喷丸处理造成钛合金表面局部损伤 ，出现皱褶和轻微脱层，塑性变形程度增大，弹丸坑周围塑性流变更加明显。图 4 所示对比了不同表面状态TC4 钛合金试样的表面粗糙度值测量结果，可以看出喷丸处理使TC4 钛合金试样的表面粗糙度值增大，随着喷丸强度的增加表面粗糙度值增大，原因归于随喷丸强度，增加 弹丸撞击材料表面的速度和能量增大会在一定程度上造成表面弹丸坑尺度增大。图 4不同

18、表面状态下试样表面粗糙度Ra、Rz、Rq 变化图 3不同喷丸工艺条件下试样表面SEM 形貌图 5 对比了不同喷丸强度对 TC4 钛合金表层显微组织结构的影响 ，可以看出 TC4 钛合金的金相组织为条状初生 相和 转变组织组成 。 喷丸处理使表面呈现不同程度的凹凸不平特征 ，组织结构细化 ，沿表面呈现塑性流变特征 ，随着喷丸强度的增大 ，表面塑性变形程度增大 ，塑性变形和组织细化层深度增加，组织变化层深度在距表面数十微米范围内 。图 5TC4 钛合金的金相组织及喷丸处理对金相组织的影响图 6 对比了喷丸强化处理对TC4 钛合金表层金表层硬度高于基体材料硬度是由于晶粒细化、位显微硬度分布的影响。可

19、以看到，错密度增加导致的加工硬化效应导致的2。随着喷丸处理使钛合金表面硬度明显增大，表层硬度值随层深增大逐步喷丸强度的增加 ，晶粒细化和位错密度增加程度增，。降低 呈现出梯度变化特征最后趋于基材硬度值大 进而导致表面硬度值提高程度增加硬化层深度在 120m 150 m 范围 。 喷丸后钛合图 7 所示为不同喷丸工艺条件下TC4 钛合金1352机械科学与技术第31卷试样残余应力沿层深的分布的测试结果。可以看，、到 喷丸在钛合金表层引入一定大小一定深度的残余压应力分布 。 高强度喷丸条件 SP2 能够获得较大的残余压应力和分布范围，但表面的硬度值却比低强度喷丸条件 SP1 要低 ，其原因可能是由于

20、较高强度的喷丸处理使表层出现皱褶和轻微脱层，释放了部分残余压应力的缘故2 ，3。越高，衍射峰宽化愈为明显 。 衍射峰宽化是由于钛合金表面喷丸强化处理导致的晶粒细化的缘故2 ，11 ，喷丸强度越高晶粒细化程度愈大 ，故衍射峰宽化程度愈为明显 。2. 2 喷丸对 TC4 钛合金疲劳性能的影响图 9 所示为 TC4 钛合金及其表面采用较低强度喷丸 （SP1）处理试样的疲劳试验的S-N 曲线 。可以看出喷丸强化处理使S-N 曲线向右上方移动 ，即导致疲劳极限提高，或在相同载荷条件下的疲劳寿命增大 。 利用升降法测得的TC4 钛合金试样的疲劳极限为 511 MPa，而喷丸强化处理 （SP1 工艺 ）试样

21、的疲劳极限则增加为 585 MPa，SP1 工艺喷丸强化处理使得 TC4 钛合金的疲劳极限提高了 14. 5% 。图 6喷丸对 TC4 钛合金表面硬度分布的影响图 9TC4 基材和 SP1 处理试样 S-N 曲线图 7不同喷丸强度下TC4 钛合金试样表层残余应力分布图 10喷丸强化与 TC4 钛合金基材试样的中值疲劳寿命对比图 8喷丸对 Ti（214）晶面衍射峰半高宽沿层深变化的影响图 8 为不同喷丸强度条件下Ti（213）晶面 X 射线衍射峰半高宽度值随表层深度的变化曲线。可以看到喷丸使得钛合金的衍射峰宽化，并且喷丸强度图 10 对比了最大循环应力水平570 MPa 下喷丸强化对 TC4 钛

22、合金中值疲劳寿命12 影响的试验结果，可以看到 ，喷丸强化后 TC4 钛合金的拉 -拉疲劳寿命较基材均有提高 ，其中 SP1处理的试样疲劳寿命提高更为显著 ，为基材试样中值疲劳寿命的9. 12 倍，而较高强度的喷丸处理 （SP2 工艺 ）试样的疲劳寿命为基材试样疲劳寿命的2. 84 倍 。 由此可见 ，喷丸强化改善 TC4 钛合金疲劳抗力的效果与喷丸强度之间存在非单调变化规律，并不是喷丸强度越高强化效果越好 ，而是存在较佳的喷丸强化参数范围，过高强度的喷丸处理不仅效果未能进一步提高，反而使改第 8 期夏明莉等 ：喷丸强化对TC4 钛合金表面完整性及疲劳性能的影响1353善钛合金疲劳性能的效果有

23、所降低。，验条件下试样的疲劳裂纹源均在表面，同时看到 生但是过高强度产中 普 遍 采 用 的 0. 15 mmA 0. 20mmA 强 度、的喷丸处理 （SP2）试样的疲劳源为多源特征，说明喷100% 覆盖率的喷丸强化工艺参数2，5 ，8在本文试验丸强度过高时由于会造成表面明显的损伤，利于疲劳研究条件下并不是提高TC4 钛合金疲劳抗力的最源的产生13，。这对于试样的疲劳寿命提高是不利的优工艺规范 。然而，由于两种喷丸处理工艺试样的疲劳寿命均明显图 11 给出了 TC4 钛合金不进行喷丸处理 （BM）大于未处理试样的疲劳寿命，这说明喷丸强化在对（SP1和SP2）TC4 钛合金疲劳性能的改善中，表

24、面引入残余压应力与进行喷丸处理 工艺试样在最大循环应力 570 MPa、应力比 R = 0. 1条件下的疲劳试验试对裂纹的早期扩展和表层晶粒细化对疲劳裂纹萌生样的典型断口形貌 。 可以看到 ，在拉 -拉加载疲劳试的阻止效应均发挥了主导作用。图 11TC4 基材及不同喷丸条件在570 MPa 应力下疲劳断口SEM 形貌2. 3 讨论喷丸强化处理对钛合金疲劳性能的影响实际上应归因于喷丸对其表面完整性的影响 。 喷丸处理引入的表面残余压应力能够起到抵消部分外加载荷的，13作用 使疲劳的有效拉应力幅值降低，有利于延缓疲劳裂纹的萌生和早期扩展，因而是重要的强化因素2，3，11 。 钛合金喷丸处理中表面受

25、到弹丸的强烈撞击作用，形成位相各异的孪晶系喷丸处理强度，愈大 孪晶密度愈高 孪晶系交割会造成晶粒碎化这有利于延缓疲劳裂纹的萌生5，11。 喷丸处理同时会在钛合金表层引入大量的位错、层错和剪切带 ，有利于阻碍疲劳裂纹的扩展2 ，10。上述喷丸处理有利因素通称为应力强化因素和组织强化因素。然而本，文试验结果表明 喷丸强度过高虽然能使应力强化因素和组织强化因素更突出，但是 钛合金的疲劳性能改善的效果并不是更显著，这显然归于过度喷丸造成的钛合金表面弱化因素抵消了强化因素有利效果的缘故 。喷丸造成钛合金表层粗糙度增大导致微观缺口效应，2，13 ，14会促进疲劳裂纹的萌生；过高强度的喷丸处理会造成钛合金表

26、面脱层、，开裂 甚至组织损伤 4 ，14，。这均不利于钛合金的疲劳抗力，因此 过高强度的喷丸处理并不能达到显著改善钛合金疲劳性能的目标，或者说喷丸强化处理改善钛合金的疲劳抗力的效果与喷丸强度的关系不是单调变化的规律，并非喷丸强度越高强化效果越好，而是存在合理的喷丸强化参数范围 ，在此条件下强化因素起主导作用 ，弱化因素处于次要地位 ，钛合金表面完整性能够得到最为有利的改善 ，从而可以使钛合金的疲劳抗力得到显著的提高 。3 结论1 ）喷丸强化能够改善TC4 钛合金在拉 - 拉加载条件下的抗疲劳性能，但是并非喷丸强度越高强化效果越好 ，而是存在合理的喷丸强化参数范围，本文试验研究条件下 ，选取喷丸

27、强度为0. 10 mmA0. 15 mmA、覆盖率为100% 的喷丸工艺可以使TC4 钛合金的疲劳性能得到显著的改善，使疲劳极限提高 14. 5% ，其效果比生产中常用的喷丸工艺条件显著 。2 ）喷丸强化处理对TC4 钛合金疲劳性能的影响应归于喷丸对钛合金表面完整性的影响，当强化（、）因素 残余压应力的引入组织细化与加工硬化的作用明显大于弱化因素（、）粗糙度增大表面损伤等，。的影响时 钛合金的疲劳抗力能够得到显著的提高（下转第 1358 页）1358机械科学与技术第31卷4 结束语本文主要从实际计算的角度研究了两平面二次曲线的不变量 ，给出了两平面二次曲线不变量的定义，并对其进行了相应的几何解

28、释 ，提出了相应计算方法 。 在此基础上通过实验验证 ，证明文中所给公式的正确性 。参考文献 1Kim H，Kim JRegion-based shape descriptor invariant to rota-tion scale and translationJSignal processing ：Image Com-munication ，2000 ，16（1-2 ）：87 932Rajashekhar S，et al Image retrieval based on projective ina-varanceA2004 International Conference on Ima

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