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发表于 2007-11-4 20:34:01
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来自： 中国陕西西安
喷丸是锤击的另一种形式，也属冲击加工的方法。喷九的效果依赖于喷丸直径尺寸，喷丸尺寸不应过大，以使其能处理微小的缺陷。同时，喷丸尺寸亦不应过小，以保证一定的冷作硬化性能，喷丸一般可在表面上的千分之几毫米的深度上发生作用
+ r: \3 H8 r3 _, G/ C. W# H* Q金属零件表面改性的喷丸强化技术
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（2007-03-14 20:59:41 ） " A! {: p. Q* Q4 N7 [0 k9 R
【摘 要】传统的机械喷丸工艺在工业界已经得到广泛的应用。随着激光技术的发展，出现了一种新的加工工艺——激光喷丸。它能改善金属零件表面的机械性能，尤其是在表面产生压缩应力，使零件的抗应力腐蚀等能力大为提高，从而延长零件的疲劳寿命。由于激光喷丸具有形成的残余压应力比机械喷丸深等优势，因而强化效果更佳。5 K8 _% u3 s' h; _: h$ k
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【关键词】喷丸；机械喷丸；激光喷丸9 Z5 h8 Y$ e5 ?; \5 ~* |
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工业界广泛应用的机械喷丸（Shot Peening，简称喷丸）强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。冷作硬化使零件的强度有所提高，残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力，晶粒晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。世界上第一台激光器诞生以后，随着对激光技术应用研究的深入和相关学科技术的发展，近年来人们开始用强激光诱导的高幅冲击波改善金属零件表面的机械性能，并称之为激光喷丸（Laser Shot Peening简称LSP）或激光冲击。
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1 F# K" S w V1 机械喷丸: K: p! Q) D' ~' d
. Q% O2 y. g2 x( {" s大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件的表面喷射，无数粒弹丸犹如一个个榔头不断地锤击零件表面，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格歪扭和高密度位错，在充裕的时间内，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此就在工件层表面和近表面形成残余的压应力。7 R9 _$ @. i F8 V
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1.1 喷丸质量的表征及影响参数% T9 y2 t0 z8 l
- {" Q7 k7 P& r. U8 x$ @3 N+ D+ C喷丸强化的效果和质量的表征指标主要有喷丸的强度、覆盖率和喷丸后零件的表面粗糙度值，每一项指标都受多项工艺参数的影响。/ W/ V- L, n0 E+ w7 q7 g' l; `
' v4 R5 @ C3 s% Z8 K影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔曼试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。
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影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。
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影响表面粗糙度的因素有零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。( V$ k& j6 Q$ W2 n* B) y
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1.2 喷丸的特点及工业应用
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+ r* c" P3 R. v* p3 s喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产成本低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。' H' o( t+ B2 h* e
/ i& D; y$ p2 B; q% L- ^目前喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷的部件，还广泛用于其他工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳强度和结合力；各种合金钢经过任何一种电镀处理后，一般均会导致疲劳强度下降10％~60％，而喷丸强化则可有效提高疲劳强度，同时还可以增加电镀层的结合力，防止起泡。
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2 激光喷丸
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$ i: |& Y/ j- O2 T, t! n/ o激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有质弹丸，用它诱导的冲击波来强化金属零件的表面。
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吸收层7 _/ f. ~: u3 j% r' T* S/ S4 x
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（黑漆）) U' {- c9 y( E7 B) S
8 ], H% ^" E* v激光脉冲
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3 L- N) S1 n; L) K8 O4 j: U& L等离子体
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金属工作& l: q1 m8 K# l
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冲击波6 B; v; [- g8 R. U2 ~6 w
H2 q' q/ m" Q' |7 Z" R' f7 L冲击波冲击波6 A! B) E$ A6 Z. p
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约束层/ I/ i8 i& R# L" y2 v5 x5 I9 Y- m. N. j
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（水、光学玻璃）* s% @0 U( I" {$ X* f
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其成形机理：短脉冲的强激光透过透明约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层（黑漆层）上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形层难以恢复，因此在表层产生残余压应力。; d" I( f' R- i$ e
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约束层的作用是提高激光诱导的冲击波的压力峰值和延长其对板料的作用时间；吸收层的作用是有效吸收激光，同时保护金属板料表面不被激光烧伤。
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2.1 影响激光喷丸质量的关键工艺参数
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7 j7 ?7 X4 j1 @% }8 P激光喷丸的关键工艺参数有：脉冲宽度；脉冲能量；光束模式；光斑的尺寸大小；板料的力学性能；约束层的刚性；吸收层的厚度等。
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( p6 T8 l& s- b% v2.2 激光喷丸的特点及应用+ V' n- J8 c6 a: L
激光喷丸强化和传统的机械喷丸强化相比具有鲜明的特点和更大的优势；* X, L& O' y. [4 L
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（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸。如可对微电机系统中微电机和开关的微米级金属零件进行激光喷丸[3]，而传统机械喷丸由于受弹丸直径等因素的限制则无法进行。
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（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累积的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控。; W2 l1 h; R/ g) W. h- ~3 u
0 s, ]) }: w6 y$ D* r（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸形成的大，其深度比机械喷丸形成的要深。美国学者Hackel等人用镍合金Inconel718材料做机械喷丸和激光喷丸的对比实验，结果表明激光喷丸形成的压应力层深度是机械喷丸的3~4倍。8 e8 }( E! r' C6 K
3 n9 G! }* A @ h; q（4）激光喷丸使零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个微米。光滑零件表面强化后，基本不改变其表面粗糙度，因而特别适合航空发动机叶片的表面强化，不但可使表面改性，而且还保持了叶片表面气流的通畅和原先设计时的力平衡。- Q0 ]. Q. ^/ i, {; {2 v1 F9 {
+ O0 C* S! H8 ?& E（5）适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金及镍基高温合金等材料均适用。不必像机械喷丸那样，对于不同材质和硬度的零件需更换和使用不同的弹丸，甚至不能喷丸强化。' v: y- o# ?! k) [8 m2 V0 A
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美国学者曾将某型号航空发动机钛合金的叶片分4种情况进行对比实验：①叶片边缘完好未刻V型槽，未喷丸；②叶片边缘关键部位刻1.5mm深的V型槽，未喷丸；③叶片边缘刻1.5mm深V型槽且进行高强度机械喷丸；④刻1.5mm深V型槽且进行激光喷丸。各组实验结果的平均值如图4所示，可以看出，机械喷丸和激光喷丸都能有效提高叶片的疲劳寿命，但激光喷丸效果更加显著。
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9 L4 ~5 v% E9 ^4 b* r) Z( c& {0 e激光喷丸强化是一种新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究用高密度激光束诱导的冲击波束来改善材料的疲劳性能。随着对激光器功率、脉宽、冲击波引起的应力波的波阵面形状等问题研究的深入和解决，尤其是较高激光脉冲重复率问题的解决，使激光喷丸强化走向实用化阶段，已经用于汽车、船舶和军工等领域。如美国空军实验室材料和制造分部的实验表明，一种典型的风扇叶片高的循环疲劳强度为690MPa，受小的外来物损伤后其疲劳强度降低到140MPa。而这种叶片进行激光喷丸强化后，受到大的外来物损伤后其疲劳强度仍保持690MPa。据称，GE公司为B-1轰炸机F101发动机的20000多片叶片及F-16战斗机的2000多片叶片进行了激光喷丸处理，结果叶片的失效率明显下降。
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5 A0 m9 h- ^% O u9 K1 g& K. d3 结束语: v# |2 N; P- ]1 x) ]$ L \
5 P8 ]6 D4 T* [: L A喷丸强化是改善金属材料表层物理机械性能最常用的方法之一，它能有效改善金属材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性，还可用于使那些通常不能进行热处理的材料达到较高的硬度以及用于提高铝合金焊缝的强度，以有效地提高金属材料的疲劳寿命。喷丸强化工艺已引起人们的重视并得到应用，尤其是激光喷丸强化技术正越来越受工业界的青睐。 |
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发表于 2007-10-23 19:59:55
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