超声波喷丸表面强化技术研究与应用进展

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1、超声波喷丸表面强化技术研究与应用进展鲁世红1，吴天睿1。高国强2，缪伟1，张新华3(1．南京航空航天大学机电学院，南京210016；2．中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，西安710089；3．中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024)[摘要】超声波喷丸强化技术近年来已经在多种类零件的制造工艺中引起高度关注。超声波喷丸强化技术能够对被处理材料实现表面改性，强化其物理、化学特性，其设备结构紧凑，可并入生产线上，方便操作、重复性好、无污染、噪音小，便携式的超声波喷丸设备在表面强化技术领域有巨大优势。综述了超声喷丸表面强化技术目前国内外研究和应用现状，论述了超声波喷丸表面强化技术的

2、强化机理和技术特点，重点介绍了强化件残余应力场研究以及表面纳米化研究，总结了超声波啧丸表面强化的关键技术和难点，超声波喷丸表面强化技术有着广阔的应用前景。关键词：超声波喷丸强化；疲劳寿命；残余应力；表面纳米化DOI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．04．024l—●—■■—P鲁世红教授、博士生导师。从事飞机钣金成形技术、塑性与超塑性成形技术、新型加工工艺与系统方面的教学／科研工作。主持了国家、省部级以及产学研等多个项目，获国家科学技术进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项，在国内外学术期刊和会议上发表40余篇学术论文。}基金项目：国家自

3、然科学基金(51175257)。24航空制造技术-2016年第4期表面强化技术是一种主要用来提高金属件疲劳性能的表面改性技术，已在工业领域得到广阔的应用。它利用冲击力或挤压力等形式的机械作用使金属材料近表面区域产生局部的弹塑性变形，导致在材料表面产生了残余压应力，并使材料显微结构发生改变，增强了其抵抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力。超声波喷丸强化技术(UltrasonicShotPeening，USP)是目前最具有前景的金属材料冷加工表面强化处理工艺之一，它不但克服了传统喷丸的不足，且强化效果优于传统喷丸，有更好的工艺可控性II-210这项技术目前在很多工业领域普遍应用，例如航空航天、汽车、铁路

4、和桥梁结构p_q，这些领域所需的材料需要有很高的强度、疲劳寿命、磨损和腐蚀抗性。在这项工艺中，超声波能被转化为撞针或者弹丸对金属材料表面的高速冲击，使金属表面产生较大的塑性变形，有害残余拉应力得以有效消除【7】，并在金属表面形成残余压应力层；发生表面形变强化，并导致表面晶粒的细化和微观组织的改善；而且喷丸残余应力的存在使裂纹闭合效应增强，有效抑制了疲劳裂纹的扩展。因此，超声波喷丸强化技术可以增加金属表面显微硬度和强度，提高腐蚀抗性以及疲劳性能。超声波喷丸强化技术目前已在喷丸强化和金属表面改性领域得到了广泛应用。Sonats公司较早开展了超声波喷丸设备开发和应用方面研究的工作[8]。Troy

5、es技术大学和中科院金属研究所率先进行了USP金属表面纳米化的研究【9】。波兰电子材料技术研究所使用超声波喷丸技术对氧化锆和氧化铝陶瓷进行了表面处理，结果显示超声波喷丸在其受喷金属表面产生了最高达2．4GPa的残余压应力[10-11]从而提高了受喷材料的抗裂性能。在Renault汽车工业集团，Snecma、Volvo和Airbus等国际航空航天工业集团及核电、火电等能源工业领域的零件上，超声波喷丸强化技术已经得到应用。在美国空军直升机结构强度和疲劳寿命提升计划上，Sonats公司的超声波喷丸强化技术也得到了应用[12-13]。目前在世界范围内，由于其各方面的优越性，超声波喷丸强化技术已经具

6、有很大的研究价值且应用前景广阔。超声波喷丸强化技术1基本原理超声波喷丸强化技术原理如图1所示，超声波喷丸技术是以超声波振动为动力源，通过换能器将超声波振荡信号(频率在20kHz)转换成机械振动信号，再通过变幅杆将纵波机械振动的微小振幅放大至20～80斗m，带动安装在振动工具头上的撞针或者喷丸室中的弹丸对靶材表面进行高速撞击，导致靶材表面产生塑性变形(形成弹坑)。材料表面层的微观组织由于这种剧烈的塑性变形而得到极大的碎化(可达纳米级别)，产生密集、均匀且稳定的位错增殖。与此同时，材料内部诱导产生了高幅的残余压应力分布。2技术特点超声波喷丸强化技术的优点主要体现在以下几个方面：(1)残余压应力

7、的值较高。喷丸强化效果丰要由残余压应力的值和残余压应力层深度两个主要因素决定，相比较而言，超声波喷丸试件的残余压应力值要比传统喷丸产生的残余压应力值高很多，残余压应力层的深度也要高很多。(2)表面粗糙度较小。传统喷丸强化工艺中，所使用的弹丸尺寸一般比较小，丸粒流的喷射速度较高，而且由于撞击过程中会伴随着弹丸的破碎，所以受喷工件表面的粗糙度会比较大，较大的表面粗糙度又相对容易导致零件产生疲劳失效和应力腐蚀，其结果就是大大降