微粒子噴丸技術(shù)研究進(jìn)展*

李蕊芝，周香林，孫澄川，謝 晨，溫 薇

（1.北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重要傳動(dòng)系統(tǒng)葉片在工況條件下常由于發(fā)生疲勞損壞而導(dǎo)致嚴(yán)重故障，故需要對(duì)葉片表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，使其表面由拉應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，以提高其疲勞壽命[1]。噴丸強(qiáng)化由于噴丸工藝簡單、提高材料表面完整性效果顯著、成本低等特點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用的一種表面強(qiáng)化技術(shù)。傳統(tǒng)噴丸工藝通過直徑為0.4~1.2mm的彈丸高速撞擊工件表面來引入一定厚度的殘余壓應(yīng)力層，從而抑制疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展，進(jìn)而提高材料表面的疲勞強(qiáng)度[2–5]。由于彈丸直徑較大，因此傳統(tǒng)噴丸工藝在強(qiáng)化材料表面的同時(shí)不可避免地增加材料的表面粗糙度。而大的表面粗糙度會(huì)造成更多的應(yīng)力集中點(diǎn)，這將使噴丸帶來的強(qiáng)化作用大打折扣。尤其是對(duì)材料表面性能要求極高的航空航天及能源動(dòng)力用材，需要在提高材料表面性能的同時(shí)降低其表面粗糙度。微粒子噴丸（Fine particle peening，F(xiàn)PP）是在傳統(tǒng)噴丸基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新表面強(qiáng)化方式，最早由日本學(xué)者Kagaya Chuji于2000年提出[6]，該技術(shù)通過使用比傳統(tǒng)噴丸直徑更小的丸粒沖擊材料表面，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力層和加工硬化層來提高材料表面強(qiáng)度，同時(shí)也能有效降低材料表面粗糙度。該技術(shù)自提出至今有大量國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微粒子噴丸的強(qiáng)化機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文聚焦微粒子噴丸技術(shù)，對(duì)其原理、研究現(xiàn)狀和機(jī)制進(jìn)行了綜述。

1 微粒子噴丸技術(shù)簡介

微粒子噴丸技術(shù)與傳統(tǒng)噴丸過程相似，用更小直徑（20~200μm）的彈丸經(jīng)過壓縮氣體加速后高速?zèng)_擊材料表面，使材料表面發(fā)生一定程度的塑性變形和組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在材料表面和近表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場[7–8]，以達(dá)到強(qiáng)化材料表面性能的目的（圖1）。由于各種材料表面狀態(tài)不一，因此微粒子噴丸后的材料表面可能會(huì)發(fā)生上述的一種或幾種變化。

微粒子噴丸所使用的彈丸介質(zhì)一般為高速鋼、硬質(zhì)合金、玻璃或者陶瓷等硬度較高的材料[9]。Harada等[10]采用硬質(zhì)合金、鑄鋼和玻璃3種微粒分別對(duì)結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行微粒子噴丸試驗(yàn)，研究了不同微粒子噴丸介質(zhì)對(duì)噴丸效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用硬質(zhì)合金和玻璃丸進(jìn)行微粒子噴丸后在材料表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力值及表面硬度值均大于鑄鋼噴丸后的殘余應(yīng)力值和硬度值，但玻璃丸粒噴丸后產(chǎn)生的表面粗糙度最小。張繼旺等[11]采用直徑100μm的鋼微粒和陶瓷微粒兩種微粒子分別對(duì)中碳鋼表面進(jìn)行噴丸處理，發(fā)現(xiàn)陶瓷微粒子噴丸后試樣表面粗糙度（4.879μm）小于鋼微粒子噴丸后的表面粗糙度（5.502μm）。另外有研究指出，相比較于高速鋼微粒，陶瓷微粒子噴丸除提高材料表面強(qiáng)度外，還可形成具有潤滑效果的表面，因此更適合滑動(dòng)表面的處理[12]。因此，彈丸介質(zhì)的種類和尺寸是調(diào)控微粒子噴丸后表面性能（如表面粗糙度）的重要因素。

圖1 微粒子噴丸原理示意圖Fig.1 Principle of FPP

2 微粒子噴丸技術(shù)特點(diǎn)

微粒子噴丸技術(shù)不同于傳統(tǒng)噴丸，可看作是傳統(tǒng)噴丸的拓展，亦可看作丸粒介質(zhì)尺寸更小的傳統(tǒng)噴丸。其較小的彈丸介質(zhì)尺寸使其具有一系列優(yōu)異的技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 降低表面粗糙度，改善表面狀態(tài)

圖2[13]為傳統(tǒng)噴丸與微粒子噴丸后工件表面形貌對(duì)比，微粒子噴丸所用彈丸尺寸約為傳統(tǒng)噴丸尺寸的1/10，沖擊速度大約為傳統(tǒng)噴丸沖擊速度的2~3倍[14]，這個(gè)顯著的差別決定了微粒子噴丸在強(qiáng)化材料表面性能的同時(shí)可有效降低表面粗糙度，能滿足對(duì)表面光潔度要求高的工件的使用需求，還可在加工試樣表層形成有韌性的微細(xì)組織，甚至可使表面組織納米化。

此外，工件表面經(jīng)微粒子噴丸處理后，原來經(jīng)機(jī)加工形成的刀痕面變?yōu)榧?xì)微的疊波面[14]，如圖3所示[12]。工件在不同使用情況下所需的疊波面可通過改變微粒子噴丸條件來控制，這種表面有助于油膜的形成并提高潤滑性能。

2.2 作用層淺且殘余應(yīng)力值大

Zhang等[13]采用粒徑為600μm和50μm的丸粒對(duì)17CrNiMo6齒輪鋼分別進(jìn)行傳統(tǒng)噴丸和微粒子噴丸試驗(yàn)。結(jié)果表明，傳統(tǒng)噴丸的硬化層深度（100μm）明顯大

圖2 傳統(tǒng)噴丸與微粒子噴丸后表面三維形貌圖（μm）Fig.2 3D morphological views of traditional shot peening and fine particle peening (μm)

勻性導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力層的形成，如圖6所示，殘余壓應(yīng)力層可以有效抑制材料表面裂紋的萌生和擴(kuò)展，甚至止裂[24]。殘余壓應(yīng)力值的大小及層深都對(duì)改善工件的疲勞性能有著必然的影響。殘余應(yīng)力值的大小主要與基體材料自身的屈服強(qiáng)度有關(guān)，根據(jù)閆五柱等[25]的研究表明，基體材料屈服強(qiáng)度越高則引入的殘余應(yīng)力值越大。除此之外，殘余應(yīng)力值還與噴丸時(shí)間和噴丸強(qiáng)度等工藝參數(shù)有關(guān)，即在一定范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力的大小隨著噴丸時(shí)間和強(qiáng)度的增大而增大。

一般情況下，沒有任何表面缺陷的材料，形成疲勞裂紋源所需要的加載循環(huán)次數(shù)占到了整個(gè)斷裂過程的90%以上，即在表面裂紋萌生期間就會(huì)消耗很多疲勞壽命，而此時(shí)因?yàn)橛袣堄鄩簯?yīng)力層的存在，故可很大程度減小外加拉應(yīng)力載荷引起的組織裂紋萌生，從而提高材料的疲勞性能；對(duì)于本身就存在表面裂紋的材料，殘余壓應(yīng)力層的存在會(huì)降低裂紋尖端的拉應(yīng)力，以起到延裂紋擴(kuò)展的作用，故能提高材料的疲勞壽命[26–27]；另外殘余壓應(yīng)力還可阻礙位于最大剪切應(yīng)力方向周圍的晶體滑移，從而提高材料的性能[28]。

3.2 促進(jìn)位錯(cuò)產(chǎn)生

圖6 噴丸后變形層殘余應(yīng)力分布Fig.6 Residual stress distribution of deformed layer after shot peening

圖7 噴丸后變形層組織結(jié)構(gòu)變化Fig.7 Structure change of deformed layer after shot peening

如圖7所示，微粒子從各個(gè)方向大量高速?zèng)_擊基體晶粒，從而產(chǎn)生大量位錯(cuò)，位錯(cuò)密度增加，大量位錯(cuò)相互纏結(jié)形成位錯(cuò)鎖及位錯(cuò)墻。此時(shí)若想再次發(fā)生滑移，就需更大應(yīng)力來跨過這些位錯(cuò)壁壘，故基體表面強(qiáng)度得到提高。

3.3 組織細(xì)化

大量微粒子高速?zèng)_擊基體時(shí)，粒子動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)換為熱能，且在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)撞擊的過程中，產(chǎn)生急冷和急熱，誘發(fā)晶粒細(xì)化，根據(jù)Hall–Petch理論，從而使材料得到強(qiáng)化[13]。

噴丸變形組織細(xì)化程度同樣與基體材料自身性質(zhì)和噴丸工藝參數(shù)有關(guān)，通常情況下，彈丸介質(zhì)的硬度越大，沖擊速度越高，覆蓋率越大，噴丸后帶來的組織細(xì)化程度越大[29]。圖8為對(duì)AISI1045鋼進(jìn)行不同時(shí)間的微粒子噴丸得到的硬度變化曲線，一定時(shí)間范圍內(nèi)，噴丸時(shí)間越長，硬度增加越明顯，但超過一定時(shí)間后，隨著噴丸時(shí)間的延長，硬度增加放緩甚至?xí)陆礫30]。

4 微粒子噴丸技術(shù)的應(yīng)用

綜上，微粒子噴丸由于工藝簡單、成本低，并可在一定程度上提高表面性能，不僅能應(yīng)用于鋼鐵、鋁合金等傳統(tǒng)材料，還可與其他表面處理方法相結(jié)合。

4.1 鋼鐵材料

鋼的發(fā)展歷程久、產(chǎn)量多、綜合性能優(yōu)良決定了它的應(yīng)用范圍廣，國內(nèi)外學(xué)者也從未停止對(duì)于如何進(jìn)一步提高鋼的性能的研究。微粒子噴丸技術(shù)先進(jìn)、成本低、易操作、強(qiáng)化效果顯著，因此在提高鋼鐵材料的性能方面具有較大的應(yīng)用空間。

Harada等[18]用陶瓷丸對(duì)高速鋼進(jìn)行微粒子噴丸，結(jié)果表明高速鋼的疲勞性能有明顯提升。Lü等[31]對(duì)W6Mo5Cr4V2齒輪鋼進(jìn)行微粒子噴丸研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，改變噴丸時(shí)間，微粒子噴丸后的疲勞強(qiáng)度提高但疲勞性能并未隨著噴丸時(shí)間的增加而改變。張隨[14]研究發(fā)現(xiàn)微粒子噴丸還可提高齒輪鋼的耐磨性。Ko等[30]將AISI1045鋼表面經(jīng)過微粒子噴丸處理后，AISI1045鋼表面晶粒從30μm減小到5nm，且納米結(jié)構(gòu)的鋼表面可作為無催化劑碳納米管生長的基底。

圖8 硬度隨FPP時(shí)間變化示意圖Fig.8 Hardness change with FPP treatment time

對(duì)細(xì)彈簧而言，傳統(tǒng)噴丸處理會(huì)因?yàn)檩^大丸粒而帶來大的壓痕，在長期使用下會(huì)形成裂紋進(jìn)而引發(fā)失效，而微粒子噴丸就可以很好地避免這一缺陷，且微粒子噴丸帶來的表面紋理也有助于齒輪嚙合處油膜的產(chǎn)生，有效提高齒輪的耐摩擦磨損性能。類似的原理，該技術(shù)也可有效提高不銹鋼螺紋緊固件的抗松動(dòng)能力[32]。

4.2 鋁合金及鈦合金

隨著交通工具輕量化的發(fā)展，鋁合金的使用變得非常廣泛。微粒子噴丸作為強(qiáng)化鋁合金件的優(yōu)良方法，目前在鋁合金上的應(yīng)用也尤為廣泛和成熟。Inoue[17]研究了微粒子噴丸對(duì)7075鋁合金疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)微粒子噴丸后7075鋁合金的疲勞壽命比傳統(tǒng)噴丸的鋁合金件疲勞壽命長15~17倍。Oguri[33]的研究表明：微粒子噴丸對(duì)航空航天用7075–T6鋁合金疲勞壽命的提高比傳統(tǒng)噴丸后鋁合金件的疲勞壽命多一個(gè)數(shù)量級(jí)，且經(jīng)過陽極氧化后仍具有優(yōu)異的疲勞性能；在觀察斷面時(shí)發(fā)現(xiàn)微粒子噴丸處理的試樣裂紋萌生點(diǎn)在內(nèi)部近表面處，而傳統(tǒng)噴丸后的工件裂紋萌生點(diǎn)在試樣表面處，并認(rèn)為裂紋萌生點(diǎn)的轉(zhuǎn)移正是鋁合金疲勞壽命提高的原因所在。Inoue[34]提出裂紋萌生部位的轉(zhuǎn)變是微粒子噴丸后鋁合金表面附近的殘余壓應(yīng)力層引起的。

鈦合金由于其良好的生物相容性被廣泛用于外科植入體，而表面改性是保持相對(duì)良好的機(jī)械性能和生物相容性的主要方法。Ahmed[35]對(duì)Ti–6Al–4V進(jìn)行微粒子噴丸試驗(yàn)以研究該技術(shù)對(duì)鈦合金機(jī)械性能及腐蝕性能的影響，結(jié)果表明微粒子噴丸提高了鈦合金的機(jī)械性能，但是相比較未噴丸的試樣，鈦合金的抗腐蝕性能略微有所下降。Takesue[36]在氣體感應(yīng)加熱氮化Ti–6Al–4V合金之前對(duì)其進(jìn)行微粒子噴丸預(yù)處理，結(jié)果表明該技術(shù)可加速鈦合金的氮化過程，并在低溫下短時(shí)間內(nèi)有效地改變鈦合金的表面性能，同時(shí)避免晶粒粗化和相變。

4.3 銅合金

關(guān)于微粒子噴丸在銅合金中的應(yīng)用報(bào)道較少。Zhang[37]對(duì)Cu–Ni–Si合金用陶瓷丸粒進(jìn)行微粒子噴丸后，分別在空氣和鹽霧氣氛中進(jìn)行高周疲勞測試，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不論在空氣中還是鹽霧氣氛中，微粒子噴丸處理后的銅合金都在近表面處失效，而未噴丸試樣則在表面處失效，且在107循環(huán)次數(shù)下試樣的疲勞強(qiáng)度均提高了1倍多。

4.4 與其他表面處理復(fù)合

氣體滲碳滲氮處理也是一種廣泛使用的表面改性手段，但有時(shí)由于操作不當(dāng)或表面異常，會(huì)造成滲碳滲氮效率大大降低。而將微粒子噴丸與滲碳滲氮相結(jié)合進(jìn)行表面改性，會(huì)加速滲碳滲氮過程。微粒子噴丸帶來高的位錯(cuò)密度、晶界及亞晶界等非平衡結(jié)構(gòu)及能量儲(chǔ)存，碳、氮會(huì)擴(kuò)散到這種結(jié)構(gòu)中，提高原子擴(kuò)散速率，從而改善滲碳滲氮工藝，更明顯地增加表面硬度及疲勞強(qiáng)度[36，38–39]。

除此之外，還可與冷噴涂技術(shù)復(fù)合[40]。對(duì)于噴涂后內(nèi)部含有較多孔隙的涂層，可以將與噴涂粉末尺寸相差較大的硬質(zhì)粒子作為微粒子噴丸顆粒，并按照一定比例混合后進(jìn)行噴涂，噴丸帶來的強(qiáng)化效果可對(duì)涂層起到夯實(shí)作用[41]，從而得到致密性更高的涂層。

5 結(jié)論

微粒子噴丸可明顯改善工件的疲勞性能、表面粗糙度及耐磨性等，并廣泛應(yīng)用于航空、能源動(dòng)力、汽車等各類零部件的表面處理，以延長使用壽命。

目前對(duì)于傳統(tǒng)噴丸的研究較多，對(duì)于微粒子噴丸技術(shù)的研究基本都是一些強(qiáng)化機(jī)理的試驗(yàn)證明，缺乏相關(guān)數(shù)值模擬研究，還有一些尚未拓展的應(yīng)用領(lǐng)域，比如微粒子噴丸對(duì)高溫合金疲勞性能等方面的研究還有待深入探究。除此之外，對(duì)微粒子噴丸過程還缺乏較為系統(tǒng)的理論研究，比如各參數(shù)間的相互影響關(guān)系，不同基體力學(xué)性能對(duì)噴丸效果的影響，以及如何控制參數(shù)得到特定需要的性質(zhì)等。

相信隨著理論研究的不斷系統(tǒng)化和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善化，微粒子噴丸技術(shù)在國防及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加成熟，在表面處理技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。