抗疲勞制造工藝優(yōu)化方案

抗疲勞制造是指構(gòu)件從制造加工到組合裝配過(guò)程中，以提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命為重要指標(biāo)，遵從“無(wú)應(yīng)力集中”的抗疲勞概念，通過(guò)化學(xué)、物理、機(jī)械等方式，提高材料的表面強(qiáng)度與韌度的同時(shí)直接引入殘余壓應(yīng)力，從而控制工件表面完整性，最終得到無(wú)應(yīng)力集中的長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)件，如航空動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件（如葉片、輪盤(pán)、軸等），傳動(dòng)構(gòu)件（如主軸承、齒輪等）以及主承力構(gòu)件（如飛機(jī)起落架、動(dòng)載螺栓等）。本文提出了針對(duì)影響表面應(yīng)力的另一重要因素——初始?xì)堄鄳?yīng)力——的控制方法：在抗疲勞強(qiáng)化前，應(yīng)用頻譜諧波定位時(shí)效的方式降低和均化初始?xì)堄鄳?yīng)力，從而直接影響并改善最終的抗疲勞強(qiáng)化效果，繼而運(yùn)用X射線衍射殘余應(yīng)力檢測(cè)方法搭配電解拋光技術(shù)，對(duì)“頻譜諧波定位時(shí)效+噴丸強(qiáng)化”的效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，證明了前述方法的有效性。

殘余應(yīng)力與抗疲勞制造

眾所周知，構(gòu)件工況下承受的應(yīng)力是殘余應(yīng)力與外部載荷應(yīng)力的合力，在表面形狀、材料、組織、溫度不連續(xù)，或塑性變形不均勻的地方會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力集中。其中，表面殘余應(yīng)力由材料、加工狀態(tài)、載荷歷程決定，外部載荷應(yīng)力受幾何形狀、工況等因素影響較大。殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響因條件和環(huán)境的不同而改變。它與殘余應(yīng)力分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來(lái)作用的狀態(tài)等因素有關(guān)。當(dāng)我們研究殘余應(yīng)力對(duì)疲勞的影響時(shí)既要考慮宏觀殘余應(yīng)力的影響，也要考慮微觀殘余應(yīng)力的影響。

可以認(rèn)為，宏觀殘余應(yīng)力在初期暫時(shí)與作用的交變應(yīng)疊加，改變應(yīng)力水平，較大的影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應(yīng)力，在應(yīng)力交變過(guò)程中，會(huì)使微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積累，使該部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，并使組織內(nèi)發(fā)生裂變。

為了獲得理想的表面壓應(yīng)力分布，提高零件抗疲勞壽命，多采用滾壓、擠壓、噴丸等機(jī)械方式產(chǎn)生冷變形及硬化層，或者采用高能束處理的加工方式。工業(yè)界廣泛應(yīng)用的機(jī)械噴丸（Shot Peening，簡(jiǎn)稱(chēng)噴丸）強(qiáng)化工藝是一種有效的表面微動(dòng)防護(hù)手段，它通過(guò)對(duì)零件表層實(shí)施沖擊與冷擠壓而使表層冷作硬化和產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

中航工業(yè)黎明開(kāi)展了利用振動(dòng)光飾和光整工藝改善其表面殘余應(yīng)力等技術(shù)狀態(tài)的實(shí)踐探索。在光飾設(shè)備上采用120#專(zhuān)用磨料，對(duì)盤(pán)件進(jìn)行了光飾加工，其作用效果明顯。由圖1可以看出，光飾前各檢測(cè)位置的殘余應(yīng)力分布差異較大，最大應(yīng)力差值達(dá)到1000MPa，應(yīng)力分布趨勢(shì)呈現(xiàn)“W”型；光飾加工后雖然明顯改變了各點(diǎn)的殘余應(yīng)力狀態(tài)，但各點(diǎn)應(yīng)力差值仍然很大（接近1000MPa），且基本延續(xù)了光飾加工前的“W”型應(yīng)力分布規(guī)律?？梢?jiàn)，光飾加工引入了一定幅值的壓應(yīng)力變化量，但并未改變?cè)谐跏細(xì)堄鄳?yīng)力與機(jī)加殘余應(yīng)力等造成的應(yīng)力不均問(wèn)題，且該問(wèn)題仍然會(huì)對(duì)“抗疲勞”效果產(chǎn)生不利影響。

表面殘余應(yīng)力的成因

工件表面殘余應(yīng)力是復(fù)雜因素綜合影響的結(jié)果——成型階段及熱處理造成的構(gòu)件整體初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削加工階段的擠壓作用與切削熱在表面硬化層形成的機(jī)加應(yīng)力、抗疲勞表面處理工藝引入的表面壓應(yīng)力，上述三者在構(gòu)件表面一定深度內(nèi)的順序引入與相互耦合，共同作用產(chǎn)生最終的表面殘余應(yīng)力。材料、幾何尺寸和加工工藝確定后，上述三種殘余應(yīng)力中，初始?xì)堄鄳?yīng)力在時(shí)間順序上被最先引入，并決定了構(gòu)件整體的殘余應(yīng)力大小、狀態(tài)與分布；其次是機(jī)加殘余應(yīng)力，它受初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響，決定了構(gòu)件淺表層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律（如圖表2、3）；最后是抗疲勞表面應(yīng)力，在終了工序之前在指定區(qū)域的淺表面引入壓應(yīng)力狀態(tài)。

抗疲勞制造工藝優(yōu)化對(duì)比實(shí)驗(yàn)

頻譜諧波定位時(shí)效與熱時(shí)效的效果對(duì)比：

圖4為某航空高溫合金盤(pán)環(huán)類(lèi)構(gòu)件（粗加工狀態(tài)），其加工路線為：環(huán)軋成型——>熱處理——>粗加工——>半精加工*——>熱時(shí)效# *——>精加工——>噴丸*。為了均化和改善噴丸加工前的殘余應(yīng)力分布，有效提高其抗疲勞制造效果，在半精加工后采用頻譜諧波定位時(shí)效（均化工藝）代替熱時(shí)效工藝；采用X射線衍射殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)方法，采用直接檢測(cè)的方式對(duì)比頻譜諧波定位時(shí)效與傳統(tǒng)熱時(shí)效工藝對(duì)殘余應(yīng)力的均化效果；最終在噴丸完成后，通過(guò)逐層剝離檢測(cè)的方式對(duì)定位時(shí)效、噴丸工藝就殘余應(yīng)力的綜合作用效果進(jìn)行評(píng)估（檢測(cè)環(huán)節(jié)為上標(biāo)“*”處）。

圖4所示是某航空高溫合金材料經(jīng)過(guò)成型制造、熱處理和半精加工階段的切削后的殘余應(yīng)力。由于受到初始?xì)堄鄳?yīng)力與切削殘余應(yīng)力的影響，半精加工后構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力既有拉應(yīng)力（暖色區(qū)域）也有壓應(yīng)力（冷色區(qū)域），平面上最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的應(yīng)力差超過(guò)500MPa，且分布極為不均勻——45°、120°、270°附近色階變化明顯，此區(qū)域的應(yīng)力梯度較大。上述拉應(yīng)力有助于裂紋的萌生并加速其擴(kuò)展（如圖5），不利于構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度及壽命；較大的應(yīng)力梯度與不均勻的殘余應(yīng)力分布一方面有可能與工況下的應(yīng)力耦合，造成應(yīng)力集中，另一方面，該殘余應(yīng)力將與后續(xù)抗疲勞加工方法引入的壓應(yīng)力疊加，在成品上仍然表現(xiàn)出不均勻性，影響最終的抗疲勞效果。

為了解決上述問(wèn)題，在半精加工完成后進(jìn)行傳統(tǒng)熱時(shí)效與頻譜諧波定位時(shí)效的對(duì)比試驗(yàn)，主要目的是評(píng)價(jià)兩種時(shí)效工藝對(duì)殘余應(yīng)力的均化效果。通過(guò)X射線衍射法檢測(cè)分別對(duì)經(jīng)過(guò)熱時(shí)效和頻譜諧波定位時(shí)效處理的一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，并繪制為以色階代表殘余應(yīng)力狀態(tài)與幅值的應(yīng)力云圖（如圖6）。

在對(duì)比試驗(yàn)中可以得出如下結(jié)論：

熱時(shí)效構(gòu)件處理前后的殘余應(yīng)力下降率（平均）為48%，頻譜諧波定位時(shí)效為35%，因此，單就殘余應(yīng)力幅值的抑制效果來(lái)評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)熱時(shí)效更有優(yōu)勢(shì)；

熱時(shí)效與頻譜諧波定位時(shí)效的殘余應(yīng)力均化度（整體）分別為43%和49%，兩種時(shí)效工藝對(duì)構(gòu)件整體殘余應(yīng)力的均化作用效果接近，頻譜諧波定位時(shí)效略占優(yōu)勢(shì)；

仔細(xì)觀察工藝對(duì)比構(gòu)件失效后的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)頻譜諧波定位時(shí)效工藝構(gòu)件沿徑向和周向的應(yīng)力分布更為平緩均勻，沒(méi)有明顯的色差（應(yīng)力梯度）。但熱時(shí)效工藝構(gòu)件繼承了在45度與270度附近的應(yīng)力梯度，造成局部的應(yīng)力不均勻。

在本次試驗(yàn)對(duì)比中，相比于傳統(tǒng)的熱時(shí)效工藝，頻譜諧波定位時(shí)效更能達(dá)到殘余應(yīng)力的均化效果，有助于后續(xù)的抗疲勞加工工藝。

噴丸強(qiáng)化效果及殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)

噴丸強(qiáng)化工藝可以在材料表面引入一定幅值和深度的壓應(yīng)力，一般在構(gòu)件加工過(guò)程臨近結(jié)束前實(shí)施，可以有效改善表面完整性，提高疲勞壽命與強(qiáng)度。由于噴丸強(qiáng)化對(duì)金屬構(gòu)件的作用厚度一般在零至數(shù)百微米深度，為了檢測(cè)這一范圍內(nèi)不同深度的殘余應(yīng)力，從而詳盡勾勒三維殘余應(yīng)力分布規(guī)律。采用電解拋光方式對(duì)表面材料進(jìn)行無(wú)應(yīng)力的逐層剝離（單次剝離深度25～50um），在此過(guò)程中使用X射線衍射法（檢測(cè)深度<10um），對(duì)不同深度殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。

構(gòu)件材料為鎳基合金，采用北京翔博科技提供的X-2型電解液對(duì)材料表面進(jìn)行電解拋光，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的材料建立拋光深度-時(shí)間關(guān)系，以達(dá)到對(duì)殘余應(yīng)力的逐層檢測(cè)的目的。

X射線衍射法針對(duì)鎳基合金的311晶面采用Mn靶材Ka射線，衍射角度為155°，采用互相關(guān)法峰形擬合方式。

圖7、8所示為沿深度方向檢測(cè)殘余應(yīng)力分布曲線，對(duì)比兩種時(shí)效方式對(duì)應(yīng)力的噴丸強(qiáng)化后殘余應(yīng)力分布規(guī)律如下：

被測(cè)構(gòu)件表面及一定深度內(nèi)呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，證明兩種時(shí)效方式對(duì)應(yīng)的噴丸強(qiáng)化工藝均可以引入一定幅值的壓應(yīng)力，

噴丸后的應(yīng)力隨深度變化呈現(xiàn)“半S型”分布規(guī)律，作用深度約為150um，最大應(yīng)力-300～-400MPa，均出現(xiàn)在50～100um之間，

比較兩種構(gòu)件的表面殘余應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，熱實(shí)效構(gòu)件表面應(yīng)力范圍為-150～-300MPa，頻譜諧波定位時(shí)效構(gòu)件表面應(yīng)力范圍為-250～300MPa，且0～150um深度的殘余應(yīng)力分布離散度較小。

由此可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)熱實(shí)效，頻譜諧波定位時(shí)效的效果更有利于降低和均化強(qiáng)化工藝實(shí)施前的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布，有利于抗疲勞制造及其強(qiáng)化工藝效果的有效性與一致性。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞問(wèn)題都是由疲勞失效引起的，造成無(wú)以估量的損失。大量的試驗(yàn)研究和疲勞破壞事故表明，疲勞源總是出現(xiàn)在有應(yīng)力集中的地方，使疲勞強(qiáng)度大大降低，這說(shuō)明應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響。本文以抑制構(gòu)件整體應(yīng)力水平從而避免應(yīng)力集中為出發(fā)點(diǎn)，從殘余應(yīng)力控制的角度，提出了利用頻譜諧波定位時(shí)效優(yōu)化原有抗疲勞制造工藝的技術(shù)方案，并采用X射線法采集殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)，直接證明了上述優(yōu)化路徑的有效性，同時(shí)也間接凸顯了頻譜諧波定位時(shí)效與殘余應(yīng)力檢測(cè)兩項(xiàng)技術(shù)在抗疲勞制造領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值與前景。